O EMPREGO DA BOMBA DE CALOR NO ENSINO DA TERMODINÂMICA

Prof. Gilmar Orlandini1, Profa. Dra. Maria Hermínia Ferreira Tavares2

Resumo: a Termodinâmica estuda as relações entre calor e trabalho, empregando as

propriedades das substâncias que atuam nestes processos. Trabalhamos interagindo com os

educandos através de experimentos simples e uma bomba de calor construída para fins

didáticos. O estudo da Segunda Lei da Termodinâmica possibilitou a apropriação de conceitos

como espontaneidade, impossibilidade do Moto-Perpétuo e reversibilidade/ irreversibilidade,

calor, temperatura e o entendimento de outras aplicações tecnológicas. A demonstração

interativa partindo de produtos de tecnologia teve repercussão positiva, considerando o fato de

que os alunos participaram construindo, elaborando, superando conceitos e se envolveram nas

atividades passando de agentes passivos para ativos. Restou assim um indicativo que devemos

considerar a relação contemporânea que ocorre no envoltório ciência – tecnologia - inovação,

apesar do pequeno e decrescente número de aulas de Ciências Exatas no Ensino Médio no

Brasil.

Palavras-chave: energia, ensino-aprendizagem, trabalho.

THE HEAT PUMP USE AT THERMODYNAMICS TEACHING

Abstract: the Thermodynamics researches the energy-work relations, using the substances

properties that act at these processes. We have worked through simple experiments and with an

heat pump, mounted directed to didactic purposes. The Second Law study has permitted the

concepts appropriation about spontaneity, Perpetual Motto impossibility,

reversibility/irreversibility, heat, temperature and the understanding about several others

technological applications. The interactive demonstration departing from technological products

have provoked positive repercussions, considering the learner’s participation, mounting,

elaborating and surpassing concepts and their participation, transforming theirselves from

1 Professor PDE 2008, com graduação em Matemática com Habilitação em Física e Desenho Geométrico,

com especialização em Ensino de Ciências Exatas - Matemática, Física e Química. Atua na rede estadual

de ensino do Paraná, Núcleo Regional de Cascavel. E-Mail: gilmarfisica@yahoo.com.br

2 Professora orientadora, docente da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Campus de Cascavel, E-

Mail: mhstavar@gmail.com

passive to active agents. It was remained an indicative that we have to consider the

contemporary relation overlapping science - technology – innovation, spite the small and

decreasing Exact Sciences lessons number at the brazilian High School.

Key words: energy, work, teaching –learning.

INTRODUÇÃO

A sociedade mundial vem buscando formas de economizar energia, com seu uso

racional. Sabendo-se que as Máquinas Térmicas destacam-se nos sistemas poluidores,

degradando energia em forma de calor, é de suma importância que a juventude aprendiz entenda

e incorpore os processos e princípios que permeiam a Termodinâmica.

A sociedade brasileira também busca, constantemente, tornar-se uma sociedade

tecnológica, trocando os processos de produção baseados no trabalho manual por aqueles que

utilizam outras formas de energia e processos de transformações. Nesta busca, estão também em

foco as Máquinas Térmicas, utilizadas na grande maioria nos transportes e nos processos de

refrigeração, com o emprego de motores de combustão interna, principalmente ciclos Otto e

Diesel. Elas ocupam um lugar significativo na refrigeração de ambientes e na geração de

energia elétrica.

Este trabalho trata de Bombas de Calor, ainda pouco conhecidas no Brasil, ao contrário

do que ocorre em outros países, onde são empregadas em residências e indústrias. A grande

utilidade das BC ocorre devido ao uso eficiente da energia que recebem, gerando um efeito 2 a

5 vezes superior que a energia gasta para acioná-las, tendo como base de funcionamento

princípios termodinâmicos, pouco explorados no Ensino Médio.

Há também a preocupação em se resgatar o ensino da Termodinâmica como uma das

áreas fundamentais da Física, o que tem levado professores e pesquisadores a se dedicarem à

reflexão e à elaboração de alternativas, buscando superar as dificuldades encontradas na

abordagem desse tema na escola básica.

Conceitos Referenciais

“Calor é a energia que está sendo transferida de um sistema a outro em virtude de uma

diferença de temperatura. [...] O calor é uma forma de energia, e é a energia a grandeza que se

conserva” (TIPLER, 2006, p.625).

Figura 1 – Conceito de calor representado na linguagem gráfica

Processo natural de calor: Energia térmica flui do corpo ou sistema de temperatura maior para o

corpo ou sistema de temperatura menor e nunca a contrário. (Segunda Lei da Termodinâmica)

Adiabático: Processo que ocorre sem troca de calor com o meio externo.

Toda máquina que tem como princípio de funcionamento o fluxo de energia térmica (calor) de

um corpo ou sistema para outro corpo ou sistema denominana-se Máquina Térmica.

“Qualquer dispositivo capaz de converter calor em energia mecânica é chamado Máquina

Térmica” (SEARS & ZEMANSKY, 2003, p. 409).

“Uma Máquina Térmica é um dispositivo cíclico, com propósito de converter a maior

quantidade possível de calor em trabalho” (TIPLER, 2006, p. 666-667).

Considerando as definições, pode-se elaborar, em linguagem gráfica, o esquema de

funcionamento de uma máquina Térmica com base no fluxo de calor da fonte quente para fonte

fria. Em um processo natural a transferência não ocorre na proporção de um para um, ou seja,

uma determinada quantidade de energia é cedida a fonte fria e outra transformada em trabalho,

não ocorrendo uma transformação de cem por cento (Segunda Lei da Termodinâmica).

Figura 2 – Esquema de funcionamento de uma Máquina Térmica.

Enunciados equivalentes da Segunda Lei da Termodinâmica para leitura e análise comparativa.

É impossível que um sistema remova energia térmica de um único reservatório e converta essa

energia completamente em trabalho sem que haja mudanças adicionais no sistema ou em suas

vizinhanças.

Enunciado de Kelvin

É impossível construir uma máquina térmica, operando em ciclos, que produza o único efeito

de extrair calor de um reservatório e realizar uma quantidade equivalente de trabalho.

Enunciado relativo a Máquina Térmica

Nenhuma máquina térmica, que opere entre dois reservatórios térmicos dados, pode ser mais

eficiente do que uma máquina reversível que opere entre os mesmos dois reservatórios.

Enunciado de Carnot

É impossível produzir um processo cujo único resultado seja a transferência de energia térmica

de um corpo mais frio para um corpo mais quente.

Enunciado de Clausius

Refrigeradores

“Um Refrigerador é basicamente uma máquina térmica operando ao revés” (TIPLER,2006, p.

671)

Figura 3 – Esquema de funcionamento de um Refrigerador

Ao observar o esquema de funcionamento do refrigerador, nota-se que o fluxo de

energia térmica não ocorre como em um processo natural, ou seja, da fonte quente para fria e

sim, da fonte fria para fonte quente. Portanto, pode-se achar que o refrigerador estaria violando

a Segunda Lei da Termodinâmica: essa interpretação não é verdade, já que o enunciado se

refere ao processo natural e neste caso o processo é artificial.

Motor de Combustão interna

Não se pode deixar de falar sobre os motores de combustão interna utilizados em larga

escala na sociedade, e, no entanto, não apresentados como uma máquina térmica para fins de

estudo no Ensino Médio. A Figura 04 representa, em linguagem gráfica, o funcionamento de um

motor que utiliza energia química armazenada no álcool ou gasolina, tendo como princípios

básicos as leis da termodinâmica, funcionando em ciclos, neste caso o Ciclo Otto. Estes motores

geralmente operam em quatro tempos:

1˚ tempo: Admissão – momento em que a mistura de ar e vapor de combustível penetra na

câmara de combustão através da válvula de admissão que se encontra aberta.

1 Operando em sentido contrário ao da Máquina Térmica, da fonte fria para fonte quente.

Figura 4 – Representação gráfica da admissão no ciclo Otto

2˚ tempo: Compressão - momento em que a válvula de admissão se fecha e o pistão sobe

diminuindo o volume e aumentando a pressão, conseqüentemente, ocorre o aumento da

temperatura.

Figura 5 – Representação gráfica de processo de compressão no ciclo Otto.

3˚ tempo: Explosão e expansão - uma faísca é emitida pela vela inflamando os gases em alta

pressão e temperatura aprisionado na câmara, que se expandem empurrando o pistão para baixo

realizando trabalho. É o único momento em que o pistão realiza trabalho.

Figura 6 – representação gráfica do processo de ignição e expansão no ciclo Otto.

4˚ tempo: Expulsão - momento em que a válvula de admissão se fecha e a de escape se abre e o

retorno do pistão por inércia empurra o restante dos gases para fora da câmera.

Figura 7 – Representação gráfica da expulsão dos gases restante da combustão.

O motor a diesel não possui velas de ignição: o combustível é inflamado ao entrar em

contato com ar em alta pressão e temperatura na câmara de combustão.

Na seqüência, vêem-se em linguagem gráfica, todos os tempos do ciclo de

funcionamento do motor de combustão interna.

Figura 08 – Representação gráfica do funcionamento de um motor de combustão interna.

A Segunda Lei estabelece que num processo natural o calor flui no sentido da fonte fria

e nunca o contrário. Ao mesmo tempo, observa-se a transformação de energia térmica em

trabalho de forma parcial, indicando limitações para o rendimento desses motores, de acordo

com a Segunda Lei.

Bombas de Calor

O conceito de “Bomba de Calor” é diferente do refrigerador pelo objetivo: o

refrigerador tem como objetivo resfriar um corpo e a bomba de calor aquecer. O funcionamento

tem como base o processo termodinâmico natural que ocorre apenas em um sentido

determinado pela Segunda Lei da Termodinâmica. A bomba de calor é eficiente em forçar o

fluxo de calor no sentido contrário do natural, ou seja, de uma fonte fria para uma fonte quente,

utilizando uma quantidade de energia pequena (WYLEN & SONNTAG, 1999).

A Bomba de Calor é uma máquina que objetiva retirar energia térmica de uma fonte fria

e bombear para fonte quente. Exemplo: quando se quer aquecer uma sala, precisa-se de uma

máquina que ceda energia térmica para o ambiente em questão.

Partindo desse principio de funcionamento, pode-se imaginar algumas situações onde se

desperdiça energia. Exemplo: o que se faz com a energia térmica retirada do interior da

geladeira? E com a energia retirada de ambientes condicionados? Pode-se também analisar um

abatedouro de frangos, onde devem ser resfriados grandes ambientes e, ao mesmo tempo,

aquecerem-se grandes quantidades de água para higienização.

Figura 09 - Esquema de funcionamento de uma Bomba de Calor.

Aqui será trabalhado o funcionamento de uma Bomba de Calor de fácil confecção e

domínio tecnológico, no caso a BC água / água. No entanto, o entendimento dos princípios que

a regem habilita a entender BCs dos tipos: água / ar, ar / ar, ar / água e outras. O esquema na

seqüência permite a visualização de alguns princípios de funcionamento.

Fonte Fria

Gás BaixaPressão

Gás AltaPressão

Fonte Quente

Líquido aAlta Pressão

Válvula deExpansão

Líquido a BaixaPressão

Figura 10. Esquema de funcionamento de uma Bomba de Calor (GREF 1998).

Observando a Figura 10:

- Ambiente 01- Fonte fria: Neste sistema existe gás em expansão e baixa temperatura, ocorrendo

troca de calor latente da água com o gás (água → gás), num processo natural de condução. O

gás absorve energia do meio vaporizando a baixa pressão.

- Ambiente 02 – Compressor: O compressor recebe o gás em baixa pressão e temperatura e

através de uma transformação adiabática eleva a pressão e temperatura.

- Ambiente 03 – Fonte quente: Neste sistema ocorre gás em alta pressão e temperatura

ocorrendo troca de calor de esfriamento e condensação gás e água (gás→ água) num processo

natural de condução.

- Ambiente 04 – Válvula - neste dispositivo ocorre uma descompressão adiabática. A pressão

diminui e o volume aumenta formando um ciclo fechado de funcionamento.

Definições básicas para uma Bomba de Calor.

Com base nas leis da Termodinâmica, tem-se:

Coeficiente de desempenho (COD)

COD = Qq/τ, onde Qq é o calor recebido pela fonte quente e τ é o trabalho realizado pelo

conjunto motor e compressor sobre o gás refrigerante.

Potência (P)

P = Qq/∆t, onde ∆t é o intervalo de tempo que o conjunto levou para bombear Qq para fonte

quente.

Pode-se encontrar o trabalho fazendo τ = Qq – Qf, onde Qf é a quantidade de calor retirado da

fonte fria.

MATERIAL E MÉTODOS

A bomba água x água apresentada esquematicamente na figura 11 pode ser montada.

Ba ixa tem pera tu ra e p ressão

Alta p ressão e tem p.

Entrada de gás (freon R22)

Com pressor

filtro cap ila r

e xp a n sã o

Figura 11. Desenho esquemático da estrutura montada de uma Bomba de Calor Água x

Água.

Componentes necessários à confecção da BC

a) Compressor elétrico, normalmente empregado em refrigeradores, potência 1/4HP;

b) Duas bandejas para água;

c) Gás Freon R22;

d) Tubos e soldas de cobre;

e) Um filtro secador para refrigeradores;

f) Capilar de cobre;

g) Dois termômetros digitais.

A Figura 12 mostra a foto da bomba montada.

Figura 12 – Foto da estrutura montada.

Utilizando a BC pedagogicamente

Pré-conhecimento/implementação

Questões para análise de pré-conhecimento.

Para análise do pré-conhecimento utilizamos indagações e experimentos simples de

fácil manuseio.

No primeiro momento perguntamos: “Temos duas blusas uma de lã e outra de moletom,

que blusa esquenta mais?”, um grupo significativo respondeu que a de lã esquentava mais,

outros ficaram em dúvida e alguns muito desconfiados. Reforçando a questão perguntamos:

“funciono da mesma forma no verão como no inverno?” e a resposta foi sim. Em seguida

apresentamos duas garrafas PET sugerimos enrolá-las com as blusas em questão, durante o

tempo de espera, risos foram surgindo que interpretamos como um alto questionamento quanto

a comparação da resposta às perguntas e o experimento, para levá-los a uma reflexão

propiciando comparações. Perguntamos: “quanto tempo teríamos que esperar para a água ficar

aquecida e fazermos café ou chimarrão?”, os risos aumentaram e começaram a surgir algumas

afirmações como: estas blusas nunca vão aquecer a água; podemos ficar por muito tempo

esperando e isto não vai acontecer; e finalmente alguém disse: blusa não esquenta.

Perguntamos então, qual é função da blusa? E levamo-los a entender que a mesma funciona

como um isolante térmico. Ficando as questões: isolante térmico impede o quê? Como? Outros

questionamentos foram feitos na tentativa de mudar o conhecimento de senso comum.

Buscamos confirmar a superação fazendo a seguinte questão: Temos duas barras de gelo a 0 ˚C

sobre uma mesa, sendo uma enrolada na blusa de lã e a outra não. Qual das barras derrete

primeiro? Um número pequeno de alunos respondeu: - a enrolada com a blusa de lã derrete

primeiro; demonstrando que o conhecimento de senso comum ainda permanecia e

necessitávamos trabalhar mais, e, em alguns casos individualmente.

Surgem alguns questionamento como: o que a blusa tem que isolar, como isso

ocorre...Questões fundamentais aparecem nestas indagações levando-os a querer saber o que os

corpos envolvidos estão trocando, como está ocorrendo esta troca, em que condições estes

fenômenos ocorrem, começando um despertar para o entendimento de conceitos físicos de

calor, temperatura, ocorrência do calor e energia térmica.

Utilizando a bomba de calor buscamos aguçar a curiosidade e despertar para o

entendimento dos conceitos e utilização dos produtos de tecnologia procedendo da seguinte

maneira: Colocamos 800 g de água em cada bandeja, solicitamos que os aprendizes tocassem

na água da bandeja com os dedos e perguntamos qual estava mais “quente” ?, e a resposta foi

que estavam iguais pois inclusive havíamos utilizado água do mesmo recipiente, ligamos a

bomba por vinte segundos e perguntamos novamente e resposta foi: a do recipiente 01 está mais

quente, a do recipiente dois está mais fria, concomitante pedimos que lessem a temperatura nos

termômetros pré posto no dispositivo e assim repetindo por mais cinco vezes até chegarmos a

uma diferença de temperatura de quarenta graus e causar espanto fazendo com que alguns

alunos que assistiam se deslocassem, não acreditando, tocaram na água e na serpentina que

formara gelo na superfície, perguntaram: mas, como isso ocorreu? Momento propício para

trabalharmos o conceito de calor, temperatura, energia térmica e por consequência iniciar o

trabalho de compreensão das leis da termodinâmica que relatamos em alguns aspectos deste

trabalho.

Começamos trabalhando o conceito de temperatura, associando ao movimento das

partículas e esta ao conceito de energia térmica e por conseqüência o corpo ou sistema que

estiver com temperatura maior possui quantidade maior de energia térmica e pelo princípio

natural ela flui para o corpo ou sistema de temperatura menor e a esse trânsito de energia

térmica denominamos calor. De imediato, surge a questão da bomba de calor que transfere a

energia do corpo de temperatura menor para o corpo de temperatura maior. Então, aproveitamos

para apresentar e explicar a primeira e a segunda lei da termodinâmica, tão logo explicada,

alguns alunos levantaram a questão de violação da segunda lei pela B.C., que requer uma

explicação diferenciando os processos naturais e os artificiais, deixando claro que a segunda lei

refere-se a ciclos termodinâmicos naturais.

Neste momento, fizemos aulas expositivas utilizando um projetor de mídia e o software

PowerPoint, abordando as leis da termodinâmica, dando ênfase a espontaneidade,

impossibilidade do Moto-Perpétuo e reversibilidade/ irreversibilidade.

Análise quantitativa

Surgiram várias questões referentes à B.C, tal como: qual o coeficiente de

desempenho? Esta questão nos levou a fazer tomadas de dados e cálculos para sabermos o COD

da B.C. que procedemos, segundo a sugestão de um aluno, que é, fazermos uma sequência de

tomada de dados ligando e desligando a cada trinta segundos, fazendo a leitura dos

termômetros em cada recipiente, imediatamente, surgiram outras questões do possível fracasso

do procedimento, considerando dissipações de energia, pressão do gás, falta de isolamento dos

recipientes, potência não constante, troca de energia água/tubulação e de a mesma ser deficitária

devido não ter agitadores, estas observações só foram possíveis devido ao processo

experimental, surgiu uma observação de que a B.C. teria um mínimo e um máximo devido a

temperatura do gás na serpentina e da água do recipiente estarem ficando próximas. A

Adotamos então, o procedimento por intervalos de tempo contínuo de noventa

segundos, cento e vinte segundos e cento e oitenta segundos. Os dados foram:

1ª

Pcd.

Recipiente 1-

Temperatura ºC

Recipiente 2-

Temperatura ºC

Tempo em

segundo

1ª 22 22 0

2ª 31 15 90

2ª

Pcd.

Recipiente 1-

Temperatura ºC

Recipiente 2-

Temperatura ºC

Tempo em

segundo

1ª 22 22 0

2ª 36 12 120

3ª

Pcd.

Recipiente 1-

Temperatura ºC

Recipiente 2-

Temperatura ºC

Tempo em

segundo

1ª 22 22 0

2ª 40 7 180

Análise quantitativa do primeiro procedimento

Potência do conjunto motor-compressor=186,5W

Calor transferido para recipiente 01 = m.c.∆t=800.4,182.9= 30.110,40J

Trabalho do conjunto moto-compressor = 186,5.90 = 16.785 J

COD = 30.110,4/16.785 = 1,79

Análise quantitativa do segundo procedimento

Potência do conjunto motor-compressor=186,5W

Calor transferido para recipiente 01 = m.c.∆t=800.4,182.14= 46838,4J

Trabalho do conjunto moto-compressor = 186,5.120 = 22.380J

COD = 46.838,4/22.380 = 2,09

Análise quantitativa do terceiro procedimento

Potência do conjunto motor-compressor=186,5W

Calor transferido para recipiente 01 = m.c.∆t=800.4,182.18= 60.220,8J

Trabalho do conjunto moto-compressor = 186,5.180 = 33.570J

COD = 60220,8/33.570 = 1,79

Análise quantitativa do primeiro procedimento-fonte fria

Potência do conjunto motor-compressor=186,5W

Calor retirado do recipiente 02 = m.c.∆t=800.4,182.7= 23.419,2J

Trabalho do conjunto moto-compressor = 186,5.90 = 16.785 J

CODR = 23.419,2/16.785 = 1,40

Análise quantitativa do segundo procedimento-fonte fria

Potência do conjunto motor-compressor=186,5W

Calor retirado recipiente 02 = m.c.∆t=800.4,182.14= 33.456,00J

Trabalho do conjunto moto-compressor = 186,5.120 = 22.380J

CODR = 33.456/22.380 = 1,50

Análise quantitativa do terceiro procedimento-fonte fria

Potência do conjunto motor-compressor=186,5W

Calor retirado recipiente 02 = m.c.∆t=800.4,182.15= 50184,00J

Trabalho do conjunto moto-compressor = 186,5.180 = 33.570,00J

CODR = 50.184/33.570 = 1,49

Análise do processo quantitativo

Ao analisarmos este processo, surgiram muitas questões: Como o COD ou CODR

haviam dado valores acima de 100%? De onde surge a energia que possibilita o COD e CODR

ser acima de 100%? Levamos ao estudo do objetivo da bomba que é de retirar energia da fonte

fria e bombeá-la para fonte quente e isso possibilita soma da energia advinda da fonte fria mais

a resultante de parte do trabalho realizado pela bomba.

A percepção de o COD ser acima de 100% nos levou a análise de possibilidade de

aplicações da bomba no cotidiano como exemplo, a energia retirada do interior da geladeira ser

usada para aquecer a água para o banho, lavar a louça, roupa e outras aplicabilidades

domésticas, surgiram questionamentos de aplicabilidades nos processos industriais.

Quantitativamente, pode-se observar que a eficiência da bomba depende de outros

fatores como: velocidade da troca de energia com o meio, isolamento, pressão do gás no

interior, variação da temperatura entre os meios. Ao perceber estes fatores, levantamos a

possibilidade de melhorar a eficiência da bomba com resfriadores, agitadores, isolantes e outros

mecanismos.

Poderíamos explorar muitos outros fatores e aprofundá-los, no entanto, a carga

horária de Física é muito pequena e, em 2010, diminuirá ainda mais.

Avaliação

Este trabalho foi implementado segundo o cronograma:

2ª Série “A”

Maio Junho Jul

Conteúdo 1

9

2

1

2

6

2

8

2 4 9 1

6

1

8

2

3

2

5

3

0

1

Aula experimental (Exp. 1

e 2)

Aula experimental

Bomba de calor (1)

x

Tratamento teórico x

- Calor e Energia

- Unidades de calor

- processos de

transferência de energia

térmica

- Capacidade Térmica

- Calor Específico

- Calor Latente

- Calor sensível

- Mudanças de Fases

x x

Primeira Lei da

Termodinâmica

x x

Segunda Lei da

Termodinâmica

x x x x x x

Segunda Lei da

Termodinâmica - Entropia

Bomba de Calor (2)

x x

Avaliação Escrita (prova) x

Avaliação - trabalhos

experimentais

x x x x x x x

2ª Série “B”

Conteúdo 19 19 26 26 2 2 9 9 16 16 23 23 30 30 1

Aula experimental (Exp. 1

e 2)

Aula experimental

Bomba de calor (1)

x x

Tratamento teórico

- Calor e Energia

- Unidades de calor

x x

- processos de

transferência de energia

térmica

- Capacidade Térmica

- Calor Específico

- Calor Latente

- Calor sensível

- Mudanças de Fases

x x

Primeira Lei da

Termodinâmica

x x

Segunda Lei da

Termodinâmica

x x x x x x x x

Segunda Lei da

Termodinâmica - Entropia

Bomba de Calor (2)

x x x x

Avaliação Escrita (prova) x

Avaliação - trabalhos

experimentais

x x x x x x x x x

Prova de Física Aluno___________________________nº_______série___turma_______

01. A bomba de calor transfere energia térmica da fonte fria para fonte quente, é correto afirmar

que:

a) ela viola a Segunda Lei da Termodinâmica

b) ela não viola a Segunda Lei da Termodinâmica por se tratar de processo não natural

c) ela viola por se tratar de processo artificial

d) ela viola por se tratar de processo natural

02. Considere as três situações:

I. A Segunda Lei da Termodinâmica principia que o fluxo de energia térmica (calor) ocorre

nos processos naturais sempre do corpo ou sistema de temperatura maior para o corpo ou

sistema de temperatura menor

II. A Segunda Lei da Termodinâmica é uma lei de conservação da energia

III. A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que nos processos termodinâmicos o

rendimento nunca será de 100%

a) Só I é verdadeira b) I e II são verdadeira c) Só II é verdadeira d) Só I e III são verdadeiras

e) Todas são verdadeiras

03. Considere as três situações:

I A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser representada por (ΔU = Q - T ), onde ΔU é

energia interna, Q é calor e T o trabalho realizado

II. A Primeira Lei da Termodinâmica da relação de conservação da energia interna, calor e

trabalho.

III. A primeira Lei da Termodinâmica principia o não rendimento de 100%

a) Só I é verdadeira b) I e II são verdadeira c) Só II é verdadeira d) Só I e III são

verdadeiras e) Todas são verdadeiras

4. Uma chaleira com água está sendo aquecida num fogão. O calor se transfere através da

parede do fundo da chaleira para a água que está em contato com essa parede e daí para o

restante da água. Na ordem desta descrição, o calor se transmitiu predominantemente por:

a) irradiação e convecção. d) condução e convecção.

b) irradiação e condução. e) condução e irradiação.

c) convecção e irradiação.

5. I. Em uma transformação isobárica não varia a pressão.

II. Em uma transformação isotérmica não varia o volume.

III. Em uma transformação isocórica não varia a temperatura.

Com relação às três afirmativas acima, podemos dizer que:

a) Só I é verdadeira b) I e II são verdadeira c) Só II é verdadeira d) Só III é verdadeira e)

Todas são verdadeiras

6 . A transferência de calor de um corpo para outro pode se dar por condução, convecção e

radiação:

a) condução e convecção não exigem contato entre os corpos.

b) convecção e radiação não exigem contato entre os corpos.

c) somente a radiação não exige contato entre os corpos.

d) somente condução não exige contato entre os corpos.

e) condução, convecção e radiação exigem contato.

07. Quando há diferença de temperatura entre dois pontos, o calor pode fluir entre eles por

condução, convecção ou radiação, do ponto de temperatura mais alta ao de temperatura mais

baixa. O "transporte" de calor se dá juntamente com o transporte de massa no caso da:

a) condução somente. d) radiação somente.

b) convecção somente. e) condução e radiação.

c) radiação e convecção.

08. Considere as três situações seguintes:

I - Circulação de ar numa geladeira.

II - Aquecimento de uma barra de ferro.

III - Bronzeamento da pele num "Banho de Sol”.

Associe, nesta mesma ordem, o principal tipo de transferência de calor que ocorre em cada uma:

a) convecção, condução, irradiação.

b) convecção, irradiação, condução.

c) condução, convecção, irradiação.

d) irradiação, convecção, condução.

e) condução, irradiação, convecção.

09. Considere as afirmativas abaixo, relacionadas às transformações de um gás ideal mostradas

na figura:

I - Na transformação ab, o sistema realiza trabalho.

II - As transformações ac e bc têm a mesma variação de energia interna..

III - Na transformação bc, o trabalho é nulo e o sistema cede calor à vizinhança.

Entre as alternativas seguintes, a opção correta é:

a. apenas I e III são verdadeiras

b. apenas II e III são verdadeiras

c. todas são verdadeiras

d. apenas I e II são verdadeiras

e. todas são falsas

10. Uma amostra de gás ideal sofre as transformações mostradas no diagrama pressão x volume,

ilustrado abaixo.

Observe-o bem e analise as afirmativas abaixo, apontando a opção CORRETA:

a. A transformação AB é isobárica e a transformação BC, isométrica.

b. O trabalho feito pelo gás no ciclo ABCA é positivo.

c. Na etapa AB, o gás sofreu compressão e, na etapa BC, sofreu expansão.

d. O trabalho realizado sobre o gás na etapa CA foi de 8 J.

e. A transformação CA é isotérmica.

11. Um cilindro com pistão, de volume igual a 2,0 litros, contém um gás ideal. O gás é

comprimido adiabaticamente sob pressão média de 1000N/m2 até que o volume atinja o valor de

0,20 litros. A variação da energia interna do gás, em J, durante a compressão é.

a) 1,8 b) 2,0 c) 200 d) 1800 e )2000

12. O trabalho, sobre pressão constante, realizado por um gás, numa expansão é tanto maior

quanto:

a) maior for a pressão e menor for a variação de volume.

b) maior for a pressão e maior for a variação de volume.

c) menor for a pressão e menor for a variação de volume.

d) menor for a pressão e maior for a variação de volume. e) N.R.A.

13. Com os dados apresentados no gráfico encontre o trabalho correspondente.

a) a transformação AB, BC, CD, DE, ABCD

Turma “A” - 32 alunos

Questão Acertos Acerto

%

01 11 34,4

02 13 40,6

03 25 78,1

04 26 81,3

05 29 90,6

06 26 81,3

07 22 68,8

08 21 65,6

09 18 56,3

10 11 34,4

11 8 25,0

12 9 28,1

13.1 14 43,8

13.2 10 31,3

Turma “B” - 32 alunos

Questão Acertos Acerto

%

01 6 18,8

02 25 78,1

03 20 62,5

04 28 87,5

05 27 84,4

06 27 84,4

07 15 46,9

08 29 90,6

09 21 21,5

10 1 3,1

11 8 25,0

12 8 25,0

13.1 9 28,1

13.2 2 6,3

Avaliação – prova escrita

Ao analisarmos acertos e erros, verificamos que as questões que tratam da interpretação

e aplicação da segunda lei em contexto natural ou artificial um grupo significativo teve

3

C

10

D

(m3)

BA

2

(10 3

N/m2)6

dificuldades. Quando perguntados sobre porque inferiram como violação da segunda lei o fluxo

de energia térmica de corpos ou sistemas de temperatura menor para temperaturas maior em

processos artificiais, disseram ter entendido que o fluxo de energia sempre se dá de

temperaturas maiores para temperaturas menores, independente de ser processo natural ou

artificial. No entanto, com um pequeno diálogo explicativo, pode-se propiciar a possibilidade da

mudança conceitual. Questões que tratam dos processos de calor os alunos na maioria

demonstraram ter assimilado, por outro lado, as questões elaboradas utilizando linguagem

gráfica e que se fazia necessário o ferramental matemático permearam um número de acertos

baixo, quando questionados, disseram ter dificuldade de leituras em linguagens gráficas,

utilização do ferramental e raciocínio matemático, principalmente quando levados a análise de

relações entre grandezas físicas.

No viés do entendimento e apropriação dos conhecimentos ligados aos fenômenos

estudados como a definição de física de calor; tendência natural da energia térmica; não

conversão de cem por cento de energia térmica em trabalho; os processos naturais e os

artificiais, os alunos demonstraram ter na grande maioria, apreendido pois, no diálogo,

utilizaram-se de termos e definições coerentes com os conhecimentos científicos abordados pela

física, como exemplo: “Em dias de temperaturas próximas de 36 Cº eles dizem: E ai professor,

pouco calor hoje? Estamos sofrendo pela falta de calor; ta difícil trocar, dissipar energia para o

ambiente; minhas partículas estão muito agitadas; liga o ventilador para aumentar a dissipação;

como está a bomba de calor, podemos utilizá-la para aumentar a minha dissipação? ...” , outro

fato muito significativo foi quando visitamos uma fábrica de cerveja onde uma caldeira à

combustão aquecia a água e do outro lado um resfriador elétrico era utilizado para baixar a

temperatura da água anteriormente aquecida e os alunos criticaram propondo a utilização de

uma bomba de calor que retirasse a energia térmica do contêiner de resfriamento e bombeasse

para o contêiner de aquecimento.

CONCLUSÕES

O trabalho teórico e experimental com os alunos possibilitou que se chegasse às conclusões:

1) A negação de processos tecnológicos e seus artefatos no ensino significa ficar-se alheio ao

mundo contemporâneo e ir contra um indicativo direcional;

2) Buscou-se, neste trabalho, aproximar-se o educando e o professor de um ensino partindo de

aplicações dos conhecimentos científicos em produto de tecnologia, propiciando possibilidades

de construção de seus próprios conceitos baseados na cultura científica;

3) Surgiu a oportunidade de ver, ouvir, questionar e discutir conhecimentos de senso comum;

4) Os resultados obtidos, tanto na prova teórica como na avaliação de discurso e interação

professor-aluno-artefato, indicam que a estratégia didática implementada tendo como base

produtos de tecnologia é positiva na construção dos conceitos básicos para o estudo da

Termodinâmica;

5) O baixo rendimento apresentado em algumas questões mostra a necessidade de um trabalho

mais intenso nos aspectos que relacionam processos naturais, linguagens gráficas, grandezas

físicas e ferramental matemático, sendo que este trabalho não pode ser feito devido ao pequeno

número de aulas de Física;

6) A crescente política de desvalorização das Ciências da Natureza, Matemática e Suas

Tecnologias que vem ocorrendo no Ensino Médio em detrimento de outras disciplinas tende a

formar um número cada vez maior de analfabetos tecnológicos.

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