Universidade Estadual de Santa Cruz

PRODUTO EDUCACIONAL

O ENSINO DE FÍSICA TÉRMICA UTILIZANDO

HISTÓRIA EM QUADRINHOS

Franklin José Bomfim Ramos

Orientador: Prof. Dr. George Kouzo Shinomiya

ILHÉUS – BA

2018

1

O ensino de física térmica utilizando história em quadrinhos

Introdução

Este produto tem o objetivo de ensinar física térmica tendo como

material catalisador da aula o recurso da História em Quadrinho (HQ). Para

tanto foram selecionadas algumas HQ cujo conteúdo pudesse suscitar algum

tópico da física térmica.

Em um primeiro momento procuramos desenvolver o estudo sobre o

conceito de calor, a diferença entre calor e temperatura, transferência de calor,

o que de fato acontece quando nos envolvemos com agasalhos quando

sentimos frio. A primeira HQ deve nos levar a questionar o estudante a respeito

de algumas afirmações do senso comum e pouco refletidas do ponto de vista

da ciência, tais como: “este cobertor é muito quentinho”, “fecha a porta para o

frio não entrar”, “vista um casaco para se proteger do frio”; como se o frio fosse

algo físico e material que chegasse aos corpos, esfriando-os, retirando deles o

calor. Idéias como essas estão presentes no dia-a-dia nas falas das pessoas

sem ao menos causar estranheza em quem as ouve.

Cabe ressaltar que a idéia do calor e do frio como algo material que

permeia os corpos não é inédita, o primeiro a lançar um olhar

metodologicamente científico no calor, no sentido de medi-lo e tentar defini-lo

foi o médico escocês James Black (1728-1799). Ele imaginou que o calor era

uma espécie de fluido chamado calórico que interpenetrava nos corpos,

passando do de maior temperatura para o de menor temperatura até que

ambas se igualassem. Para comprovar sua idéia ele misturou certa quantidade

de água em ebulição com outra quantidade igual de água gelada e verificou

que a temperatura de equilíbrio se deu aproximadamente na média entre as

duas temperaturas iniciais. Ele explicou esse resultado dizendo que o excesso

de fluido (calórico) tinha sido distribuído uniformemente entre as duas

quantidades de água.

2

Este conceito de calor durou até meados do século XIX quando

James Prescott Joule (1818-1889) realizou o experimento do equivalente

mecânico do calor, demonstrando que a energia mecânica pode ser convertida

em térmica e vice-versa, estabelecendo, por fim, que o calor nada mais é que

uma forma de energia. Voltaremos a este tópico mais tarde, na aula de

Termodinâmica.

Em relação à pergunta “o que é temperatura?”, é comum se ouvir de

alunos, a resposta de que é a medida do calor. É natural confundir a sensação

térmica com o “estar quente” ou “estar frio”, como se estes fossem conceitos

absolutos, quantitativos e precisos, ao invés de relativos e facilmente

confundíveis, bastando para isso que se pergunte a um grupo pequeno de

pessoas se aquele ambiente em que se encontram está frio ou está quente

para se perceber que, não raro, as respostas variam entre “está bom”, “está

agradável”, “está quente”, a depender da sensibilidade e gosto de cada um.

Entender a temperatura como um estado de agitação que está

relacionado com o movimento das moléculas e átomos que compõem a

matéria, isto é, com sua energia cinética média, e que, portanto, é quantitativo

e preciso é fundamental para diferenciá-la de calor, haja vista que a absorção

ou liberação de calor pelo material pode fazer variar sua temperatura, para

mais ou para menos, respectivamente.

A segunda HQ tem como foco central o ensino de escalas de

temperatura, uma vez que retrata um episódio em que Cascão está confuso

com um termômetro que não está graduado na escala Celsius, mas ele não

sabe disso. É preciso que um amigo, Nimbus, ao saber que o termômetro foi

trazido de outro país deduza que o mesmo esteja graduado em outra escala e,

assim, esclareça a Cascão do motivo da confusão e que o aparelho não está

quebrado.

Uma vez discutida a diferença entre calor e temperatura, cabe, com

essa HQ, fazer as seguintes perguntas: como fazer para medir a temperatura?

Será que todos os países a medem da mesma forma? Existe uma medida

absoluta de temperatura? O objetivo desta HQ é iniciar uma aula que poderá

desencadear uma discussão sobre a confecção de escalas e também na

3

relação entre as diversas escalas utilizadas hoje em dia: Celsius, Fahrenheit e

Kelvin, esta última chamada de escala absoluta, pois não admite valores

negativos por se relacionar com a energia cinética das moléculas e átomos. O

zero absoluto, ou zero kelvin, equivalente a -273,15 ºC seria a temperatura

onde os átomos deixariam de vibrar.

A terceira HQ remete ao estudo da Termodinâmica, especificamente

à sua 2ª Lei por se tratar de transformação. É uma historinha em que Cascão

monta uma oficina para reaproveitar os brinquedos dos colegas transformando-

os em outros brinquedos. Ao longo do tempo alguns ficam entediados com o

novo brinquedo e exige de Cascão que traga o brinquedo antigo de volta,

desfazendo a transformação. Cascão então explica que não dá, não tem como

voltar e fazer o caminho inverso, contando com o apoio de Franjinha, o

cientista da turma, que ratifica exemplificando que uma omelete não vai voltar a

se transformar em um ovo.

A porta está aberta para se iniciar o estudo da termodinâmica,

questionando os alunos se a natureza se comportaria do mesmo jeito que os

brinquedos transformados por Cascão. Note que, quando um brinquedo era

transformado em outro, continuava a ser brinquedo, fato que pode ser

relacionado com a 1ª lei da termodinâmica, uma vez que a energia total do

universo se conserva. Mesmo ocorrendo varias transformações de uma

modalidade de energia em outras, no balanço geral das energias, a quantidade

que se tinha antes, deverá ser a mesma depois das transformações, conforme

preconiza a primeira lei. Contudo, o produto enérgico final não mais se

apresentará integralmente tal qual se apresentava antes das transformações,

corroborando o que estabelece a 2ª lei da termodinâmica, ao formalizar que é

impossível a uma máquina térmica, retirar energia de uma fonte quente e

transformá-la integralmente em trabalho. Sempre haverá uma parcela de

energia não aproveitada pela máquina, o que chamamos popularmente de

desperdício.

4

Aula 1: O que é Calor? Ou por que quando eu estou com febre eu sinto

frio?

A aula deve ser iniciada com a leitura da HQ. Devido ao seu caráter

lúdico, espera-se que os estudantes, neste momento, se deixem envolver pela

historinha, pois o caráter lúdico da HQ pode proporcionar uma mudança de

atitude com relação à aula de física, normalmente rotulada de difícil e chata.

Nesse sentido, a linguagem simples e alegre da HQ possibilita uma mudança

de postura que facilita o acesso à aprendizagem.

A história pode ser projetada através do projetor multimídia e/ou

fotocopiada e distribuída para os alunos, a depender dos recursos disponíveis

e da metodologia de trabalho que o professor escolher. Sugerimos trabalhar

com os alunos em grupos, pois assim é possível que a interação entre eles

desperte para novas indagações, o que certamente enriquecerá a discussão.

De início recomendamos que se leia a história inteira sem

interrupções nem explicações físicas e só após retome em partes com as

indagações que proporemos adiante.

5

Figura 1: Temperatura Exagerada. primeira página.

6

Figura 2: Cranicola se sente aquecido pelo cobertor, confundindo isolante térmico com fonte de energia térmica.

7

Figura 3: Penadinho interpõe um travesseiro entre Cranicola e a pedra para impedir que ele perca calor para ela.

8

Figura 4: Cranicola é levado para um ambiente de temperatura mais elevada e ele passa a absorver calor do ambiente.

9

A partir da leitura da HQ, o professor volta para alguns quadros

ressaltando a informação através de algumas perguntas aos estudantes:

Neste quadro (Fig. 8) é possível investigar a intenção de Penadinho

ao dormir de cobertor. Pergunte aos alunos:

1- Por que Penadinho estava dormindo de cobertor?

2- Por que o cobertor nos dá a sensação de aquecimento?

Alguns alunos responderão que o cobertor aquece ou que ele estava

usando cobertor por que o mesmo é quentinho, conforme dito na figura 2

abaixo em relação ao cachecol.

É natural pensar dessa forma, faz parte do senso comum, uma vez

que com o uso de agasalhos nos sentimos mais aquecidos, entretanto, este

calor que sentimos não vem do agasalho, vem do nosso próprio corpo. O

agasalho ou cobertor funciona como isolante térmico, impedindo que o calor

Figura 5: Penadinho sugere que dormir de cobertor o manterá aquecido.

Figura 6: Demonstração de equívoco conceitual. O cobertor é isolante térmico.

10

saia do nosso corpo para o ambiente, isto é, impedindo a troca de calor com o

ambiente. Tanto melhor será o cobertor quanto mais isolante ele for. Vale

ressaltar que um bom isolante térmico é o material que dificulta a transferência

de calor entre dois meios, criando uma barreira entre eles e impedindo a

tendência natural do equilíbrio térmico. O ar seco é um bom isolante térmico,

pois possui baixa condutividade térmica, conseqüentemente materiais muito

porosos, com muitos espaços de ar entre suas estruturas, como cobertores de

lã, são também bons isolantes térmicos.

O isolamento do cobertor envolto no corpo humano que irradia calor

cria uma região de efeito estufa entre o corpo e o material isolante, análogo ao

que acontece com o planeta Terra: a camada de ozônio bloqueia a onda

térmica que é irradiada pelo planeta, refletindo-a de volta para o solo

favorecendo o seu aquecimento.

Não se esqueça de reforçar para os alunos, portanto, que o cachecol

no pescoço de Cranicola não teve a função de aquecê-lo, mas sim de isolá-lo,

isto é, impedir que o calor produzido pelo nosso corpo saia para o ambiente.

Cranicola também afirma que a pedra está muito fria, mas se tanto

ele quanto a pedra estão ao ar livre há muito tempo, será que a pedra está

mesmo mais fria que ele?

Aproveite este quadro para desenvolver o conceito de sensação

térmica e transferência de calor por condução. Se ele está sentindo a pedra

fria, então está havendo transferência de calor dele para a pedra. Pergunte aos

alunos:

3- O calor está indo da pedra para Cranicola ou de Cranicola para a

pedra?

Ouça varias possíveis respostas. Se alguém disser da pedra para

Cranicola, replique com outra pergunta:

4- Se o calor está indo da pedra para Cranicola, então por que ele

não está se sentindo aquecido? Será mesmo que está indo da pedra para o

indivíduo? Quem sente frio é quem ganha calor ou perde calor?

Neste momento a maioria dirá o contrário, que o calor está saindo do

Cranicola e indo para a pedra, por isso que ele está sentindo frio.

11

Aproveite esta fala dos alunos para retomar o último quadro da

historinha e perguntar:

5- E agora, nesta cena, o calor está indo de onde para onde?

Naturalmente eles dirão que do fogo para o Cranicola. Diante dessas

falas e conclusões discutidas é conveniente construir uma definição para o

calor, de forma sutil e processual, como sendo a energia térmica que irradia do

corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. Portanto, o

frio é uma sensação de perda de calor para outro corpo ou ambiente de

temperatura mais baixa e a sensação de calor, como no quadrinho do inferno,

é a absorção de calor vinda de outro corpo ou ambiente de maior temperatura.

Porém cabe perguntar: quão eficaz é esta transferência de calor?

Qual a celeridade da troca de calor entre dois corpos em contato térmico?

Recupere o quadro abaixo onde será possível discutir fluxo de calor,

uma vez que os alunos já compreenderam o sentido da transferência térmica:

do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

Figura 7: Cranicola reclama do calor absorvido do fogo no ambiente.

Figura 8: Cranicola perde calor para a pedra

12

6- Pergunte se é possível estabelecer uma relação entre a

quantidade de calor cedido por Cranicola à pedra e o tempo em que esta

cessão ocorreu?

7- Será que se a pedra absorvesse certa quantidade de calor de

Cranicola em um longo tempo, um dia, por exemplo, a sensação de frio seria a

mesma que se esta absorção de calor se desse em 1 segundo?

Procure analisar as respostas e para aqueles que responderam que

em menor tempo a sensação seria maior, pergunte se esta é uma relação

direta ou inversa com o tempo?

A taxa de transferência de energia térmica por unidade de tempo é

exatamente o que chamamos de fluxo de calor, representado pela letra () e

dado por = Q/t. Portanto, ratifique que, no caso da interação entre Cranicola

e a pedra, o fluxo de calor pode ter sido alto por dois motivos: um é o curto

intervalo de tempo em que a transferência ocorreu, outro pode ter sido a

diferença de temperatura entre os dois. Para resolver o problema do fluxo de

calor entre o crânio e a pedra, Penadinho inseriu um travesseiro entre os dois,

conforme visto na figura 5. O travesseiro tem área (A), espessura (e) e está na

interface entre duas temperaturas diferentes, a de Cranicola (T1) e a da pedra

(T2), com T1 > T2. Será que com um travesseiro mais alto, mais espesso, com

(e) maior, o fluxo de calor será maior ou menor? Pergunte aos alunos e espere

que eles concluam. Caso eles não consigam imaginar a dependência do fluxo

com o inverso da espessura, faça uma experiência de pensamento,

imaginando que duas pessoas estão deitadas sobre a cerâmica de suas casas

no inverno. A primeira está sobre um lençol de algodão e a segunda está sobre

um colchão. Qual das duas possivelmente reclamará mais do frio? Eles dirão

Figura 9: O travesseiro funciona como isolante térmico

13

que foi a primeira, pois o lençol é mais fino. Feito isso, retome a pergunta do

travesseiro explicando que a espessura dificulta o fluxo de calor entre dois

meios, conforme eles puderam concluir.

Desta forma pode-se estabelecer que o fluxo de calor () é

diretamente proporcional à área da superfície de contato (A), à diferença de

temperatura entre os dois meios (T) e inversamente proporcional à espessura

do material na interface (e): A.T/e. E se trocarmos o travesseiro por uma

tábua de madeira, com a mesma área e a mesma espessura, nas mesmas

condições de temperatura, o fluxo de calor será o mesmo? Se colocarmos uma

chapa de zinco de iguais dimensões no lugar da tábua, obteremos o mesmo

resultado? A resposta é não, pois o fluxo de calor por condução depende de

uma constante intrínseca ao material utilizado na separação, chamada de

coeficiente de condutibilidade térmica e representada pela letra K.

Finalmente podemos concluir que o fluxo de calor através do

travesseiro sob Cranicola pode ser calculado por 𝜙 = 𝑘𝐴(𝑇1−𝑇2)

𝑒.

Agora chegou o momento de refazer aos alunos a pergunta proposta

no inicio da aula:

8- Por que sentimos frio quando estamos com febre?

A febre é o aumento de temperatura do corpo devido a alguma

infecção. Com a temperatura do corpo maior que a ambiente, o fluxo de calor

do corpo para o meio se dá de maneira mais rápida, fazendo com que

tenhamos a sensação de que está frio, quando na verdade não está, apenas

estamos perdendo calor mais rápido. Recomenda-se banho frio, nesses casos,

para diminuir a temperatura do corpo humano, reduzindo a diferença de

temperatura entre o corpo e meio ambiente e, por conseguinte, reduzindo o

fluxo de calor.

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Exercícios para retomada do conteúdo

1) Por que você não pode ter certeza se está com febre alta tocando

sua própria testa?

Resposta: o seu corpo inteiro está aproximadamente à mesma temperatura,

sendo assim, o fluxo de calor entre sua mão e sua testa quase não ocorrerá,

impedindo que você tenha a sensação de que está mais quente. Seria preciso que

houvesse uma diferença considerável de temperatura entre sua mão e a outra

parte do corpo em que tocasse para notar rapidamente a elevação da temperatura.

2) Em regiões desérticas, quentes durante o dia e frias durante a noite,

as paredes das casas frequentemente são feitas de argila. Por que é

importante que as paredes de argila sejam grossas?

Resposta: uma parede com a espessura apropriada mantém a casa aquecida

durante a noite por meio da diminuição do fluxo de dentro para fora, enquanto

durante o dia ela mantém frio o interior da casa devido à diminuição do fluxo de

calor de fora para dentro.

3) Identifique, entre as frases abaixo, a(s) errada(s) do ponto de vista

físico e depois corrija-a(s).

a) O refrigerante permanece gelado dentro de uma caixa de

isopor, pois ela não deixa o frio escapar.

b) A sensação de frio que sentimos ao tocar uma colher se deve

à perda de calor de nossa mão para a colher.

c) Uma sopa quente esfria com o tempo, pois fornece calor para

o meio ambiente.

Resposta: está errada a alternativa (a). O refrigerante permanece gelado dentro

de uma caixa de isopor, pois ela evita a troca de calor entre o refrigerante e o meio

externo.

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Aula 2: Temperatura, medida e escalas.

Nesta aula, procuraremos introduzir o conceito de temperatura,

ressaltando sua diferença para o calor, muitas vezes confundida pelos alunos,

conforme verificado na aula anterior.

Inicia-se a aula pela leitura da História em Quadrinho que segue, a

qual pode ser projetada em projetor multimídia e/ou distribuída aos alunos

fotocopiada. Segue-se a mesma recomendação da aula anterior: primeiro leia a

HQ com os alunos ou deixe que eles leiam e depois retome com as devidas

discussões.

É importante não perder de vista que na aula anterior a discussão se

deu em torno do conceito de calor, pois se preciso for, deverá ser retomada a

fim de esclarecer ainda mais o conceito de temperatura.

Figura 10: Cascão argumenta que o termômetro está quebrado pois indica uma temperatura ambiente muito acima da habitual.

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Figura 11: Nimbus percebe que se o termômetro veio de outro país, provavelmente ele deve estar graduado em outra escala de temperatura, a escala Fahrenheit.

Aproveite o primeiro quadro para investigar o conceito de

termômetro: Termo-metro.

1. Pergunte aos alunos o que para eles remete a palavra termo?

Figura 12: Cascão mostra o termômetro para Nimbus.

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Observe as respostas. Provavelmente alguns dirão que tem a ver

com calor, outros, temperatura.

Para que se usa um termômetro? É notório que utilizamos para

medir temperatura. Entretanto, o que seria a temperatura? Que grandeza é

essa que se pode medir com uma espécie de régua graduada? Esta medição é

direta ou indireta?

É importante notar que para se medir a temperatura de um corpo, é

necessário que o termômetro entre em contato com o corpo, espera-se algum

tempo e só então se observa a temperatura. Então podemos perguntar:

2. Por que esperar alguns minutos para conferir a temperatura no

termômetro?

Se os alunos tiverem dificuldade para responder a essa pergunta,

estimule com outra referente à aula anterior: o que acontece quando dois

corpos, de temperaturas diferentes, estão em contato térmico? Eles concluirão

que haverá troca de calor entre eles até atingirem o equilíbrio térmico. E com o

termômetro, não é a mesma coisa? Desta maneira está respondida à pergunta

do por que esperar alguns minutos antes de retirar o termômetro do corpo e

verificar a temperatura.

Note que ainda não concluímos o que é temperatura. O objetivo é

alcançar a discussão dos efeitos da troca de calor pela matéria. Ou seja, o que

acontece com os átomos da matéria quando ela cede ou absorve calor? Uma

vez que já definimos calor como sendo uma modalidade de energia e que a

energia não é criada nem destruída, porém transformada, a pergunta é:

3. Sabendo-se que os átomos estão em constante movimento de

translação, o que aconteceria com este movimento na medida em que

eles liberam energia na forma de calor? Em outras palavras, a

velocidade de translação dos átomos de um sólido, por exemplo,

aumenta, diminui ou permanece constante quando este material cede

calor para o meio ambiente?

A intenção é direcionar os alunos para a compreensão do fenômeno

e, por fim, à construção de uma definição para a grandeza temperatura. Após a

pergunta 3 é possível concluir que a temperatura tem relação intrínseca com o

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grau de movimento dos átomos e que, portanto, corpos que absorvem calor

tem seus átomos mais agitados, o que faz com que a temperatura se eleve e

corpos que cedem calor para outros tem seus átomos em menor agitação,

diminuindo assim a temperatura. A transformação de energia que ocorreu na

troca de calor foi energia térmica (calor) em energia cinética de translação

relacionada à velocidade média dos átomos, verificando assim, a conservação

de energia. Assim, átomos que absorvem calor aumentam energia cinética,

átomos que cedem calor perdem energia cinética.

A questão agora é entender de quais formas eu posso medir a

temperatura. Ou ainda, será que existe um padrão de medida preferida por

todos os países?

Através do quadro ao lado nota-se que Cascão utiliza uma

informação que parece ser uma unidade de medida para o número 77. Ao

declarar 77 graus para a temperatura ambiente, Nimbus conclui que está muito

quente, caso esta seja a temperatura em unidade de medida utilizada no Brasil.

Pergunte aos alunos em qual unidade de medida eles medem a

temperatura do próprio corpo. Se não todos, pelo menos alguns responderão

que é o grau Celsius, então, será que o termômetro de Cascão está medindo

nesta unidade?

O desapontamento de cascão com o termômetro só é esclarecido

quando ele afirma que o mesmo veio de outro país, dos “isteites”, fato que leva

o seu amigo a indagar de qual país veio. Ao saber que veio dos Estados

Unidos, ele conclui que o aparelho não estava quebrado, pois a unidade de

Figura 13: Cascão não se atenta para a unidade de medida no termômetro e por isso se confunde ao interpretar a medida.

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medida de temperatura naquele país não era a mesma usada aqui no Brasil,

porém era a escala Fahrenheit.

Feita esta discussão, pode-se esclarecer que um termômetro nada

mais é do que uma escala graduada, uma régua onde são registrados os

comprimentos atingidos pelo material que dilata dentro do tubo de vidro. A

dilatação varia linearmente com a temperatura, por isso podemos atribuir um

número que representa a temperatura para cada posição da escala. O

comportamento linear da temperatura facilita-nos a criar uma escala a partir de

dois pontos fixos, duas temperaturas Ta e Tb e suas subdivisões.

São três as escalas de temperatura mais conhecidas mundialmente:

Celsius, Kelvin e Fahrenheit. Estabelecendo-se duas temperaturas de

referência para as três escalas, no caso, os pontos de fusão e ebulição da

água, à pressão de 1,0 atm, por exemplo, pode-se deduzir uma relação entre

elas.

Figura 14: conclusão de que o termômetro está graduado na escala Fahrenheit.

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Figura 15: Relação entre as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, com seus respectivos pontos de fusão e ebulição da água.

A maneira de se obter uma equação de conversão serve para

quaisquer escalas, mesmo arbitrárias, nas quais sejam dadas duas

temperaturas fixas de referência.

𝑪 − 𝟎

𝟏𝟎𝟎 − 𝟎=

𝑭 − 𝟑𝟐

𝟐𝟏𝟐 − 𝟑𝟐=

𝑲 − 𝟐𝟕𝟑

𝟑𝟕𝟑 − 𝟐𝟕𝟑=

𝑻𝑿 − 𝑻𝒊𝒏𝒇𝒆𝒓𝒊𝒐𝒓

𝑻𝒔𝒖𝒑𝒆𝒓𝒊𝒐𝒓 − 𝑻𝒊𝒏𝒇𝒆𝒓𝒊𝒐𝒓= 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆

Considerando apenas as escalas conhecidas e simplificando a

equação, obtemos,

𝑪

𝟓=𝑭 − 𝟑𝟐

𝟗=𝑲 − 𝟐𝟕𝟑

𝟓

Note que esta é uma equação do primeiro grau e que, portanto,

obedece à relação f(x) = ax + b. É importante salientar esta propriedade para

os alunos, ressaltando o comportamento linear das temperaturas que nos

possibilita relacioná-las em um gráfico do tipo T=f(X), como mostrado abaixo.

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Para verificar esta dependência linear entre duas escalas de

temperatura, peça aos estudantes que utilize a equação de conversão entre as

escalas Celsius e Fahrenheit, por exemplo, e transforme três temperaturas

quaisquer de uma escala para outra e depois marque os valores

correspondentes em um gráfico de Celsius por Fahrenheit (CxF). Em seguida

peça que eles, a partir do gráfico, utilizando o que aprenderam em matemática,

quando viram função do primeiro grau, no primeiro ano, obtenham a função da

reta.

A intenção em retomar o conhecimento aprendido anteriormente é

mostrar que não existem fórmulas novas, como muitos alunos imaginam,

porém são as mesmas da matemática aplicadas em situações físicas

diferentes. Não há por que decorar um monte de fórmulas como se a física

fossem as equações à revelia dos fenômenos que as corroboram e lhes dão

sentido.

Abaixo selecionamos alguns exercícios para retomada do conteúdo,

como sugestão de início de atividades. O professor fique à vontade para

explorar outros exercícios, material de concursos e ENEM, pertinentes à sua

proposta de ensino.

Figura 16: Gráfico linear representando a função da temperatura T = f(X).

22

Exercícios para retomada do conteúdo

1) O termômetro que Cascão estava usando indicava 77 ºF. Informe

para ele a temperatura que o termômetro marcava em ºC.

𝑪

𝟓=

𝑭−𝟑𝟐

𝟗

𝑪

𝟓=𝟕𝟕 − 𝟑𝟐

𝟗

𝑪

𝟓=𝟒𝟓

𝟗

𝑪 = 𝟓.𝟓

𝑪 = 𝟐𝟓 º𝑪

O que podemos concluir que não está tão quente assim.

2) Dois copos de água idênticos, com temperaturas de 10ºC e 20ºC, são

misturados. A temperatura resultante é 15 ºC. Como isso ocorre?

Resposta: dois ou mais corpos com temperaturas diferentes, em contato, trocarão

energia térmica até o equilíbrio térmico. Portanto, a água de maior temperatura (20

ºC) cederá calor para a água mais fria (10ºC). A primeira diminuirá de temperatura e

a segunda terá sua temperatura elevada até que elas atinjam o equilíbrio térmico,

isto é, até que ambas estejam com igual temperatura. Como o material era o

mesmo (água) e as quantidades eram idênticas (mesma massa), a temperatura de

equilíbrio térmico será um valor intermediário entre 10ºC e 20 ºC, dado pela média

aritmética. Portanto 15ºC.

3) Suponha que você aqueça 1 L de água no fogo por um certo tempo, e

que sua temperatura se eleve em 2ºC. Se você colocar 2 L de água

no mesmo fogo pelo mesmo tempo, em quanto se elevará a

temperatura?

Resposta: a temperatura se elevará em 1ºC, pois existe o dobro de moléculas de

água em 2 L e cada uma delas receberá, em média, metade da energia da fonte

térmica que é a mesma.

23

Aula 3: Termodinâmica, 1ª e 2ª Lei

A HQ que segue retrata uma situação onde se verifica o esforço de

Cascão em reaproveitar os brinquedos de seus amigos transformando-os em

outros brinquedos. O dilema começa a aparecer quando alguns dos colegas

pretendem obter o mesmo brinquedo de volta, exigindo que Cascão desfaça o

que fez, como se voltasse no tempo.

Aproveitamos esta história para discutir a 1ª e a 2ª Lei da

Termodinâmica, no tocante à conservação da energia e à impossibilidade de se

transformar integralmente uma modalidade de energia em outra,

respectivamente, o que se configura na prerrogativa da 2ª Lei da

Termodinâmica.

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Figura 17: Transformando. Cascão monta uma oficina para transformar os brinquedos dos colegas.

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Figura 18: Cascão recolhe o brinquedo de Cebolinha para transformá-lo em outro brinquedo.

26

Figura 19: Cascão transforma o carrinho de boneca de Magali em uma penteadeira.

27

Figura 20: Cascão transforma o brinquedo de Dudu e Franjinha lhe dá os parabéns pela iniciativa.

28

Figura 21: O colegas de Cascão querem seu brinquedo como era antes, porém Franjinha esclarece que não tem como reverter o processo.

29

Figura 22: A história acaba com Franjinha ressaltando a importância de se reaproveitar coisas no dia a dia.

1ª Lei da Termodinâmica

Comece a aula a partir do título da HQ. Indague aos alunos o que

eles entendem da palavra transformar. Por que a historinha se chama

transformando? Eles dirão que é por que Cascão transformava brinquedos em

outros. Entretanto saliente que nos “novos” brinquedos ainda estava presente

parte da matéria prima dos primeiros, como no quadro do carrinho de boneca

transformado em penteadeira e do triciclo transformado em robô-bicicleta,

mostrado abaixo:

Figura 23: Exemplo de transformação mantendo-se a matéria prima dos materiais

30

Aproveite a fala de Franjinha, destacada no quadro ao lado, para

ressaltar que não só os cientistas transformam coisas o tempo todo, isto é,

manipulam a matéria, mas a própria natureza também o faz.

Como é sabido dos alunos, visto em séries anteriores, através da Lei

de Lavoisier, que na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma,

podemos pensar não em termos de massa, como supôs o pai da química

moderna, mas em termos de energia e assegurar que a energia total do

universo se conserva, mesmo sofrendo varias transformações.

Pergunte aos alunos de onde vem a energia luminosa da lâmpada

que está na sala. Após a resposta, pergunte de onde vem a energia elétrica

nos fios e assim sucessivamente, procurando chegar na potencial gravitacional

e na solar como fonte primária da energia na Terra. Argumente com eles que

as energias se transformaram, não integralmente como discutiremos mais

tarde, e que é possível inferir que a soma de todas as parcelas transformadas é

igual ao produto inicial da fonte energética.

Explique para os alunos que a conservação da energia faz parte de

uma das leis da física, a 1ª Lei da Termodinâmica a qual foi finalizada com o

experimento de joule do equivalente mecânico do calor.

Mostre através de projetor ou desenhe a imagem abaixo a fim de

explicar aos alunos como se deu o desenvolvimento da evolução do conceito

de calor que culminou na primeira lei. A intenção de James Prescott Joule era

verificar se existia alguma relação entre calor, e energia mecânica e, caso

Figura 24: Franjinha ressaltando que os cientistas transformam coisas sempre.

31

existisse, medir a quantidade de calor equivalente à energia mecânica

produzida.

O calor até então era concebido como um fluido material chamado

de calórico que verteria do corpo de maior temperatura para o de menor

temperatura. Aquele que receberia calor deveria ficar, portanto mais pesado,

uma vez que receberia fluido e aquele que doaria deveria ficar mais leve, além

de só poder doar em uma quantidade finita visto que se algo contém fluido e o

doa, não pode fazê-lo infinitamente. Seria como imaginar um recipiente

fechado de onde se tira água sem repô-la e nunca seca. Este tipo de raciocínio

levou pesquisadores contemporâneos de Joule, como conde de Rumford e

Julius Mayer a questionarem a teoria do calórico.

O aparato experimental de Joule tinha a finalidade de verificar a

equivalência entre energia mecânica e calor. Quando os pesos desciam de

uma altura h fazendo girar as paletas dentro de um recipiente com água,

verificava-se, por meio de um termômetro que ocorria variação de temperatura.

Joule conseguiu calcular quanto de caloria a água estava absorvendo e quando

de energia potencial gravitacional os pesos estavam perdendo. A parcela de

Figura 25: experimento utilizado por Joule para encontrar o equivalente mecânico do calor.

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energia mecânica não conservada só poderia estar indo para a água em forma

de caloria que Joule chegou à relação aproximada de 1 cal = 4,2 Nm (J).

Em outras palavras e em linguagem moderna podemos escrever que

a quantidade de calor (Q) absorvida pela água é igual ao trabalho (W) realizado

pelos pesos mais a variação da energia interna (U) das moléculas de água:

Q = W + U

Note que nesta equação simples está demonstrado o princípio de

conservação e transformação da energia. De um lado da igualdade tem-se a

energia térmica recebida pelo fluido, do outro lado da igualdade a origem dessa

energia mais a parcela de energia química representada pela energia interna

das moléculas. Ou seja, o calor estava vindo do trabalho realizado pelos blocos

em movimento, da energia mecânica dos mesmos.

A intenção deste trabalho é utilizar a HQ para iniciar o estudo de

física térmica, não pretendemos aqui aprofundar o conteúdo nas minúcias do

cálculo que envolvem a primeira Lei. Aconselhamos o professor a fazê-lo em

outro momento, pois uma vez que o interesse dos alunos ao novo

conhecimento já foi despertado, ficará mais fácil aplicar a Primeira Lei às

máquinas térmicas e às transformações gasosas.

2ª Lei da Termodinâmica

Vamos construir agora uma linha de raciocínio para iniciarmos o

estudo da 2ª Lei da termodinâmica.

Uma forma de resgatar a atenção dos alunos para o enredo da HQ é

perguntá-los em que momento os amigos de Cascão começaram a ficar

contrariados com ele? Note que a confusão começou quando queriam desfazer

a transformação. Recupere estas informações através dos quadros seguintes,

releia os diálogos com os alunos e questione sobre a possibilidade de fazer

algo que foi transformado voltar a ser o que era, exatamente igual.

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Figura 26: Dudu e Cebolinha exigem que o processo seja revertido, fato que contraria a 2ª Lei da Termodinâmica.

1) Quando Dudu e Cebolinha quiseram seus brinquedos como antes, qual

foi a resposta de Franjinha?

“quando se transforma uma coisa é quase impossível ela voltar ao que

era antes!!”,

“um omelete pode voltar a ser um ovo?!”

“O papel pode voltar a ser árvore?!”

2) Apesar de a energia se conservar, após uma transformação eu consigo

obter toda a energia que existia antes da transformação?

A 2ª Lei da termodinâmica vem estabelecer como as transformações

ocorrem e impor um sentido para o fluxo de energia.

Relembre com os alunos que apesar de a 1ª Lei da Termodinâmica

garantir que a energia total do universo se conserva, a 2ª Lei estabelece que a

energia não se conserva do mesmo jeito, porém que nas sucessivas

transformações sempre resultará uma parcela de energia não aproveitada. A

energia química do combustível que o carro transforma em energia mecânica

(trabalho) também gera calor nos atritos das engrenagens do motor e com o ar.

A energia elétrica que é transformada em luminosa pela lâmpada também é

transformada em térmica, pois a mesma se aquece liberando calor para o meio

ambiente, chamado de fonte fria em uma máquina térmica.

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Portanto uma das formas de enunciar a 2ª Lei da Termodinâmica

pode ser dizendo que é impossível retirar energia de uma fonte e

transformá-la integralmente em trabalho, isto é, em outro tipo de energia

sem que haja desperdício. Tanto melhor será a transformação quanto menor

for o desperdício, em outras palavras, quanto menos a máquina térmica

desperdiçar energia para a fonte fria, maior será a sua eficiência ou

rendimento.

Explique para os alunos que o rendimento (𝜂) pode ser entendido

como um balanço energético, uma taxa de energia aproveitada, chamada de

trabalho ou energia útil (W), em relação à energia total disponível (Q), daí

podermos escrever

𝜂 =𝑊

𝑄

Ora, fica evidente que, se em toda transformação sempre há

desperdício, então o trabalho (W) será sempre menor que a energia total (Q), o

que nos leva a concluir que 0 ≤ 𝜂 < 1, ou seja, o rendimento nunca será 100%,

corroborando o estabelecido pela 2ª Lei da Termodinâmica.

Desta maneira pode-se iniciar o conceito de entropia como uma

tendência de a energia ir para um estado de menor qualidade ou maior

desordem, do ponto de vista atômico. Uma fruta evolui de verde para madura e

apodrecida, não o contrário. A energia quando se transforma espontaneamente

de uma forma em outra, sempre será para um estado de maior desordem,

nesse sentido dizemos que a entropia está aumentando. Ninguém evolui da

velhice para a juventude, mesmo que aparentemente pareça mais jovem.

Fica a cargo do professor em outra aula aprofundar as discussões

da 2ª Lei da Termodinâmica e aplicá-la aos motores a diesel, álcool e gasolina,

explicar sobre o ciclo de Carnot etc. Nesse primeiro momento tivemos o

interesse em iniciar as discussões que suscitariam debates mais profundos.

Esta aula ocorreu em dois horários de 50 minutos cada e após essas

discussões foi distribuído aos alunos um questionário discursivo para

aprimoramento de conteúdo.

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Exercícios para retomada de conteúdo

1) João Pedro, físico e poeta, em seu livro de realismo fantástico, “Os sonhos de Alice”, brinca com a implacável tendência do universo à desordem, tendência essa que permite distinguirmos o passado do futuro. Para isso, João Pedro nos convida a imaginar um filme de um ovo quebrando sendo passado de trás para a frente. Uma pessoa desinformada, ao entrar na sala nesse exato momento e vir pedaços de casca e gema se juntando para formar um ovo, vai entender na hora que o filme está sendo passado de trás para a frente. Isso ocorre porque, quando o filme é apresentado do futuro para o passado, a tendência natural do ovo se inverte. Explique, do ponto de vista da termodinâmica, por que parece ser impossível que as cascas quebradas voltem a ser ovo.

Resposta: do ponto de vista da 2ª Lei da Termodinâmica, é impossível se

caminhar do estado de maior desordem para o estado de maior ordem. Em processos naturais

a entropia é sempre crescente.

2) O trecho grifado no poema ao lado faz referência a uma importante lei da física. Cite essa lei e explique o seu significado.

Resposta: a 2ª Lei da

Termodinâmica estabelece que é impossível uma

máquina retirar calor de uma fonte e transformá-

lo integralmente em trabalho, sem que haja

desperdício.

3) Muitos já devem ter assistido ao famoso filme “O Curioso Caso de Benjamin Button”, no qual é contada a história de uma criança que nasceu com a aparência de um velho, fazendo com que muitos acreditem que ela viverá pouco tempo, mas a cada ano que passa ela fica mais nova, deixando todos perplexos. A história contada no filme é ficção e viola a 2ª Lei da termodinâmica. Explique por que?

Dilatação do Tempo

Amar para sempre parece tão impalpável quanto o comprimento do infinito. Como acreditar nas declarações de eternidade Se tudo está em movimento, Se a vida é dinâmica. A máquina do amor desperdiça energia à medida que funciona. É a lei. Diante da impossibilidade de prever, Da imprevisibilidade do tempo É melhor amar em ciclos Aumentando o rendimento do tempo.

Franklin Ramos

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4) (Enem) A invenção da geladeira proporcionou uma revolução no

aproveitamento dos alimentos, ao permitir que fossem armazenados e transportados por longos períodos. A figura apresentada ilustra o processo cíclico de funcionamento de uma geladeira, em que um gás no interior de uma tubulação é forçado a circular entre o congelador e a parte externa da geladeira. É por meio dos processos de compressão, que ocorre na parte externa, e de expansão, que ocorre na parte interna, que o gás proporciona a troca de calor entre o interior e o exterior da geladeira.

Nos processos de transformação de energia envolvidos no funcionamento da geladeira,

a) a expansão do gás é um processo que cede a energia necessária ao resfriamento da parte interna da geladeira.

b) o calor flui de forma não espontânea da parte mais fria, no interior, para a mais quente, no exterior da geladeira.

c) a quantidade de calor cedida ao meio externo é igual ao calor retirado da geladeira.

d) a eficiência é tanto maior quanto menos isolado termicamente do ambiente externo for o seu compartimento interno.

e) a energia retirada do interior pode ser devolvida à geladeira abrindo-se a sua porta, o que reduz seu consumo de energia.

Resposta: o calor é transmitido espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Já nos refrigeradores acontece o inverso de modo forçado, ou seja, o calor flui de forma não espontânea da parte mais fria, no interior, para a mais quente, no exterior da geladeira. Letra b.

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Anexo B A Lei do Gato. HQ onde Franjinha faz experimentos para investigar

por que o pão com manteiga sempre cai com a manteiga virada para baixo.

Esta HQ está como material extra, fora do eixo Física Térmica, como sugestão

para o professor se quiser expandir esta metodologia de ensino com outros

assuntos e outra série, por exemplo.

Aqui sugerimos ao professor que utilize esta HQ para discutir com os

estudantes a metodologia de pesquisa e investigação da ciência, procurando

demonstrar que uma Lei física nasce, comumente, de um modelo que procura

reproduzir com maior aproximação possível, o fenômeno observado na

natureza.

Figura 27: A Lei do Gato. Magali questiona por que a manteiga sempre cai virada para baixo no pão com manteiga.

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Figura 28: A Lei do Gato. Franjinha é procurado por Magali para solucionar o dilema do pão com manteiga.

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Figura 29: A Lei do Gato. Franjinha planeja um experimento confrontando a tendência do gato cair com as patas viradas para o chão com a tendência da manteiga no pão cair virada para o chão.

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Figura 30: A Lei do Gato. Franjinha expõe os detalhes e a vantagem de se fazer o experimento.

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Figura 31: A Lei do Gato. Mingau participando do experimento

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Figura 32: A Lei do Gato. Franjinha percebe que o experimento não saiu como previsto pois o gato comeu o pão.

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Figura 33: A história é finalizada com Franjinha servindo macarrão à Magali.

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Anexo C Do Contra e a bola. Nesta história o professor pode iniciar uma

discussão sobre movimento relativo e referencial, uma vez que nos dois

primeiros quadros têm-se uma bola girando em relação aos personagens que a

equilibra em seu próprio dedo indicador e no último quadro é mostrada uma

bola parada em relação ao ambiente com o personagem girando ao seu redor.

Quem está girando? Cascão ou a bola? Em relação ao que? No

caso do último quadrinho, Do Contra está mesmo girando em relação à bola?

Existe algum referencial no qual a bola giraria em torno de Do Contra?

Questionamentos como esses podem ser discutidos e respondidos a partir

dessa HQ, por isso a disponibilizamos para o professor como um recurso a

mais que ele pode explorar com outra série, inclusive.

Figura 34: No referencial da bola, Do Contra gira em torno dela.