FICHA PARA CATÁLOGO PRODUÇÃO DIDÁTICO PEDAGÓGICA

Título: UTILIZAÇÃO DE UM LABORATÓRIO VIRTUAL NO PROCESSO ENSINO-APRENDIZAGEM DA

FÍSICA: EXPERIÊNCIA COM O SEGUNDO ANO DO ENSINO MÉDIO

Autor ALUIZIO TORRES DA SILVA

Escola de Atuação COL. EST. PROFESSOR BENTO MUNHOZ DA ROCHA NETO

Município da escola PARANAVAÍ

Núcleo Regional de Educação PARANAVAÍ

Orientador SHALIMAR CALEGARI ZANATA

Instituição de Ensino Superior UNESPAR – CAMPUS PARANAVAÍ

Disciplina/Área (entrada no PDE) FÍSICA

Produção Didático-pedagógica UNIDADE DIDÁTICA

Relação Interdisciplinar

(indicar, caso haja, as diferentes

disciplinas compreendidas no

trabalho)

MATEMÁTICA E QUÍMICA

Público Alvo

(indicar o grupo com o qual o

professor PDE desenvolveu o

trabalho: professores, alunos,

comunidade...)

ALUNOS DO ENSINO MÉDIO

Localização

(identificar nome e endereço da

escola de implementação)

RUA ENIRA BRAGA, 313

Apresentação:

(descrever a justificativa,

objetivos e metodologia utilizada.

A informação deverá conter no

máximo 1300 caracteres, ou 200

palavras, fonte Arial ou Times

New Roman, tamanho 12 e

espaçamento simples)

Tendo em vista o acelerado desenvolvimento das tecnologias, as

quais estão presentes no cotidiano, o presente material didático

deverá contribuir para a busca do conhecimento através das

tecnologias, principalmente por intermédio do uso de sítios

educativos, objetivando promover uma relação entre o aluno e os

conceitos da física utilizando-se de laboratórios virtuais na física,

onde se congregará o real ou concreto através de simulações de

imagens, sons e movimento simultaneamente, onde haverá uma

correspondência entre o uso da linguagem virtual, verbal, escrita e

também matemática.

Palavras-chave ( 3 a 5 palavras) MULTIMÍDIA; TECNOLOGIA DIGITAL; SIMULAÇÃO;

INTERAÇÃO; CONCEITOS FÍSICOS.

PROJETO DE INTERVENÇÃO PEDAGÓGICA NA ESCOLA

Utilização de laboratório virtual no processo ensino-aprendizagem da

Física: experiência com o segundo ano do Ensino Médio

Área: FÍSICA

Professor PDE: ALUIZIO TORRES DA SILVA

IES: UNIVERSIDADE ESTADUAL DO PARANÁ – CAMPUS PARANAVAÍ

Professor orientador: SHALIMAR CALEGARI ZANATTA

Agosto 2011

SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃO

SUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO

PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO

EDUCACIONAL - PDE

PROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL

1. DADOS DE IDENTIFICAÇÀO

Professor PDE: Aluizio Torres da Silva

Área PDE: Física

NRE: Paranavaí

Professora Orientadora IES: Dra. Shalimar Calegari Zanatta

IES vinculada: UNIVERSIDADE ESTADUAL DO PARANÁ - Campus Paranavaí

Escola de implementação: Colégio Estadual Prof. Bento Munhoz da Rocha Neto

Público objeto da intervenção: Ensino Médio - 2ª série

APRESENTAÇÃO

O Programa de Desenvolvimento Educacional (PDE) desenvolve uma política pública que

estabelece o diálogo entre professores da rede Estadual de Educação do Paraná. Trata-se de um

programa de Formação Continuada diferenciado, que tem por objetivo qualificar o professor através

de estudos teóricos e experiências vivenciadas, com objetivos de buscar alternativas que superem

problemas da escola em que atua e da educação paranaense. Problemas, estes, identificados na

elaboração do Projeto de Intervenção Pedagógica na Escola. É nesse contexto que uma produção

Didático-pedagógica, é elaborada. Esta produção se caracteriza como uma Unidade Didática

voltada para o tema de estudo escolhido pelo professor em função das necessidades observadas na

sala de aula. Em consonância aos propósitos do PDE, observa-se que os alunos do Ensino Médio

têm diversas dificuldades na apropriação dos conceitos de termologia e, principalmente relacioná-

los com fenômenos cotidianos onde os expressam. Sendo assim, esta unidade didática apresenta

uma proposta de trabalho que aborda as leis da termodinâmica, em acordo com os princípios

educacionais e com as diretrizes curriculares da SEED. Por outro lado, nossa sociedade vive um

acelerado desenvolvimento das tecnologias, as quais estão presentes no cotidiano e, que a escola

não deve ignorar, pelo contrário, as novas tecnologias devem ser usadas como ferramentas didáticas

para auxiliar o processo ensino-aprendizagem. Sob a orientação da professora Dra. Shalimar

Galegari Zanatta esta unidade apresenta uma metodologia de ensino que busca o conhecimento

através das tecnologias, principalmente por intermédio do uso de sítios educativos, objetivando

promover uma relação entre o aluno e os conceitos da física utilizando-se de laboratórios virtuais na

física, onde se congregará o real ou concreto através de simulações de imagens, sons e movimento

simultaneamente. Desta forma, proporcionará ao educando fazer uma correlação entre os

fenômenos físicos relacionados com a termodinâmica através do uso da linguagem virtual, verbal,

escrita e matemática. A escolha é justamente por ser um conteúdo que quando trabalhado em

laboratório necessita de muito cuidado, porque as grandezas físicas envolvidas são: pressão,

temperatura e calor exigem cuidados especiais.

TERMODINÂMICA - CONTEÚDOS ESPECÍFICOS

A termodinâmica investiga as grandezas macroscópicas (temperatura, pressão e volume),

definidas por coordenadas termodinâmicas em função da energia interna do sistema. Aqui se

entende sistema como um conjunto de átomos ou moléculas, constituintes de um gás, inserido num

recipiente de volume (V). O sistema estará em equilíbrio se os valores, que representam suas

grandezas, se mantêm constantes por um longo período de tempo. Quando o sistema sofre variações

em uma de suas grandezas, ele sai momentaneamente do equilíbrio e, depois de um intervalo de

tempo – tempo de relaxação, encontra-se em outro estado de equilíbrio. Vários processos podem

mudar o estado de equilíbrio de um sistema, como por exemplo, compressão ou aumento de sua

temperatura através da transferência de energia na forma de calor. É digno de nota que um gás

contido num recipiente de dimensões macroscópicas é formado de um número (N) gigantesco

(tipicamente, N 1024

) de partículas (moléculas ou átomos). Porém, um estado termodinâmico

específico fica completamente caracterizado por apenas duas, das três variáveis macroscópicas (P,

V, T) porque estão relacionadas entre si. A pressão está relacionada com o valor médio da

transferência de momento nas colisões das partículas com as paredes do recipiente. A temperatura

está relacionada com a energia cinética média das partículas. A descrição termodinâmica é sempre,

portanto, uma descrição macroscópica, que só se aplica a sistemas com um número suficientemente

grande de partículas, por isso sempre relacionada a valores médios. As partículas do gás movem-se

de forma extremamente complicada e desordenada, colidindo constantemente umas com as outras e

com as paredes do recipiente, variando apreciavelmente numa escala de distâncias 10-8

cm e

tempos 10-13

s. É por isso, que as leis da mecânica Newtoniana sofram profundas modificações na

escala atômica e subatômica. Em resumo, a termodinâmica é a área da Física que relaciona as

grandezas macroscópicas como resultados obtidos pela Mecânica Quântica e pela Mecânica

Estatística.

Devemos, portanto, fazer algumas considerações importantes, por sistema termodinâmico

vamos empregar um gás ideal, ou seja, um gás rarefeito contido num volume a baixa pressão, qu

pode ser descrito pelos parâmetros macroscópicos: pressão (P), volume (V) e temperatura (T).

Estado Termodinâmico

Os parâmetros termodinâmicos são quantidades de medidas macroscópicas associadas com

o sistema, e elas podem ser definidas experimentalmente.

Assim, o estado termodinâmico de um gás é descrito por três parâmetros macroscópicos (P,

V, T), que fornecem algumas informações médias sobre seu estado dinâmico.

LEIS DA TERMODINÂMICA

Historicamente, as leis da termodinâmica foram obtidas como leis empíricas, de natureza

fenomenológica. Somente mais tarde, com a formulação da teoria cinética dos gases, precursora da

teoria atômica da matéria, é que se procurou a explicação microscópica das leis da termodinâmica.

As três leis em que a termodinâmica se fundamenta compõem um curto e conciso código de

limitações, proibições ou definições de conceitos que, segundo a física, estão estabelecidas pela

natureza. De acordo com esse código:

É proibida a existência de transformações de energia sem que parte dela se dissipe ou se

transforme em energia não aproveitável;

Calor é uma forma de energia em trânsito;

Existe uma grandeza macroscópica, denominada temperatura, que apresentará o mesmo

valor a qualquer corpo quando em contato entre si;

São proibidos ainda quaisquer dispositivos que se movimentam continuamente, sem

consumo de energia, como o moto-perpétuo;

É proibida a transferência espontânea de calor dos corpos mais frios para os mais quentes. A

transferência no sentido oposto é o sentido natural e se processa até que todos os corpos

atinjam o mesmo estado térmico;

É impossível, por qualquer processo natural ou artificial de resfriamento, atingir o mais

baixo nível térmico do universo. Ele existe, tem valor numérico conhecido, mas não pode

ser alcançado.

LEI ZERO DA TERMODINÂMICA E EQUILÍBRIO TÉRMICO ENTRE DOIS SISTEMAS.

Identifica a temperatura absoluta como uma função de estado macroscópico. É um fato

experimental que um sistema isolado (gás numa caixa com paredes isoladas) sempre tende ao

equilíbrio termodinâmico. Neste estado, suas variáveis macroscópicas não mudam com o tempo e

representam valores médios de variáveis microscópicas.

Podemos afirmar que cada sistema está caracterizado por um parâmetro (T),

convencionalmente chamado de temperatura absoluta, a qual está relacionada com a energia média

por átomo ou molécula que compõem o sistema.

A troca contínua de energia durante as colisões é o mecanismo que seja autor regulador do

equilíbrio térmico.

A termodinâmica estatística, desenvolvida posteriormente às leis da termodinâmica, mostra

que na situação de equilíbrio térmico o sistema está no seu macroestado que contém o maior

número de microestados – este macroestado é o estado de equilíbrio.

Macroestado – estado do sistema descrito, por coordenadas termodinâmicas mensuráveis.

Microestados – estados quânticos permitidos para um dado macroestado.

O valor da temperatura é o parâmetro comum entre dois sistemas em contato entre si que

atingem o equilíbrio térmico.

Temperatura

O conceito de temperatura está associado a uma propriedade comum de sistemas em

equilíbrio térmico. Para definir de forma objetiva o conceito de temperatura, vamos analisar

detalhadamente as propriedades do equilíbrio térmico.

Quando dois sistemas em contato um com o outro por meio de uma parede adiabática,

(paredes isolantes) o estado de equilíbrio termodinâmico do A não é afetado pelo estado

termodinâmico do B, conforme podemos ver na figura 1.

Figura 1. Dois sistemas A e B separados por uma parede adiabática, a temperatura do sistema A é diferente da temperatura do sistema B.

Mas substituindo a parede adiabática por uma diatérmica, (paredes que permitem a troca de

energia na forma de calor) e novamente colocando os dois sistemas em contato térmico, o sistema

evoluirá para um estado de equilíbrio diferente do caso anterior, isto significar que as variáveis

macroscópicas tanto do sistema A quanto do sistema B após certo intervalo de tempo evoluirão para

um estado de equilíbrio térmico que contempla os dois estados. Neste caso dizemos que o sistema

termodinâmico A está em equilíbrio térmico com o sistema termodinâmico B, conforme podemos

ver na figura 2.

Figura 2. Os dois sistemas em contato por meio de uma parede diatérmica, os dois estado evoluirá para um estado de equilíbrio térmico.

Suponhamos agora que os sistemas A e B estão em equilíbrio térmico e, um terceiro sistema

C com temperatura diferente dos dois anteriores é colocado em contato por meio de uma parede

diatérmica. Os três sistemas evoluirão para um estado de equilíbrio térmico diferente do estado da

figura 2. Esta situação está representada na figura 3.

Figura 3. Os três estados estão em equilíbrio térmico entre si.

Este fato é chamado muitas vezes de lei zero da termodinâmica: Dois sistemas em equilíbrio

térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si.

A noção intuitiva de temperatura mostra que dois sistemas em equilíbrio térmico entre si

têm a mesma temperatura. É graças a lei zero da termodinâmica que podemos medir a temperatura

de um corpo com o auxílio de um termômetro.

O conceito de temperatura como parâmetro macroscópico é uma grandeza empírica porque

depende de uma propriedade termométrica do termômetro. Os termômetros mais conhecidos de

mercúrio ou álcool contidos num bulbo utilizam a dilatação dessas substâncias como propriedade

termométrica. A temperatura absoluta como definida sendo proporcional a energia média do

sistema ou o parâmetro de ajuste que leva o sistema ao macroestado de equilíbrio térmico deve ser

obtida sem depender da substância termométrica. Os termômetros mais familiares no cotidiano

estão graduados nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin, esta última é considerado como escala

absoluta.

O CONCEITO DE CALOR E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

Calor era visto como uma substância que fluía de um corpo para outro, numa quantidade

medida em calórico. A conexão entre calor como uma das formas de energia só foi estabelecida no

séc XIX por um médico, Julius R. Meyer.

Em 1843 James Joule estabeleceu o equivalente mecânico, ou seja, a relação quantitativa

entre trabalho e calor como uma das formas de energia (1cal=4,186J). Uma consequência do

experimento realizado por Joule foi à observação de que o trabalho adiabático (ou seja, sem troca de

calor) necessário para elevar a temperatura (pelo mesmo valor) de uma substância é independente

do caminho utilizado. Na mecânica, temos que o trabalho realizado por uma força externa para

levar um corpo da superfície até uma altura h, independe dos pontos iniciais e finais. Como

consequência, existe uma função de estado que caracteriza o sistema, podemos afirmar que existe

uma função de estado que caracteriza o sistema, denominada de energia interna U, cuja variação

entre os estados iniciais e finais é igual ao trabalho adiabático (sem trocas de calor) necessário para

levar o sistema de i até f.

E se o sistema trocar calor com a vizinhança? Isso implica que a variação de energia interna

pode ocorrer devido à execução de trabalho ou transferência de calor. Utiliza-se a convenção de que

o trabalho realizado pelo sistema e calor cedido ao sistema são positivos. Esta convenção originou

da aplicação da termodinâmica as máquinas térmicas.

A primeira lei da termodinâmica, que equivale ao princípio de conservação da energia,

identifica a contribuição de U que não é devido a trabalho fornecido ao sistema com uma nova

forma de energia, o calor Q transferido ao sistema, ou seja:

fiifWQUUU

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA E ENTROPIA

A primeira lei da termodinâmica é uma lei de conservação de energia, mas observando o

funcionamento das máquinas térmicas, verifica-se que calor não pode ser convertido 100% em

trabalho, mas trabalho pode ser integralmente convertido em calor. Estas observações estão

relacionadas com a segunda lei da termodinâmica. Que impõem uma direção para a conservação de

energia.

A segunda lei da termodinâmica descreve aquilo que não pode ocorrer de forma espontânea,

isto é, há uma lei limitante restringindo as ocorrências, apontando os limites da natureza.

Um dos enunciados da segunda lei da Termodinâmica é:

O calor não passa de forma espontânea de um corpo de menor temperatura para outro que

esteja em temperatura mais alta.

O fluxo de calor entre dois corpos não ocorre de forma espontânea do corpo de menor

temperatura para o corpo de maior temperatura.

É impossível construir um dispositivo (máquina) que, operando em ciclos, produza como

único efeito a transferência de calor de um corpo frio para um quente.

Por esse enunciado podemos dizer que não existem máquinas perfeitas, ou seja, máquina

que faça a transferência total do calor de um corpo de menor temperatura para um de temperatura

mais alta.

É impossível construir uma máquina térmica que, ao operar em ciclos, transforme

integralmente em trabalho todo o calor que fornece.

Máquinas térmicas, como as locomotivas a carvão e os motores de automóveis, são

dispositivos que transformam calor em trabalho mecânico por meio de ciclos. De acordo com a

segunda lei da termodinâmica, não é possível construir máquinas térmicas cujo rendimento seja

100%.

Entropia

Num sistema contendo um grande número de partículas parece haver uma tendência natural

da desordem sobre a ordem e degradação da energia, Clausius, no início da segunda metade do

século XIX, desenvolveu uma relação matemática que expressa quantitativamente o aumento da

desordem e a degradação de energia, alterações referidas como variação da entropia. A entropia,

representada pela letra S, característica intrínseca de todo e qualquer sistema, aumenta à medida que

a desordem dos fenômenos aumenta. Uma vez que em todos os fenômenos naturais há tendência a

se alcançar um estado de menor grau de ordenação, dizemos que existe uma tendência ao aumento

na entropia do Universo.

Nos processos e transformações é interessante quantificar a variação de entropia do sistema

(S), e não a entropia em cada estado. A variação de entropia de um sistema que esteja passando

por transformação isotérmica, com temperatura absoluta T e trocando com o meio uma quantidade

de calor Q, pode ser expressa como:

T

QS

A variação de entropia depende dos estados, inicial e final, do sistema.

MÁQUINAS TÉRMICAS E REFRIGERADORES

Diante da lei de Entropia, a questão agora é: Qual o melhor rendimento para uma máquina térmica?

Sadi Carnot se propôs a responder esta questão, investigando o limite teórico para o rendimento

máximo de uma máquina térmica. O ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente para a operação de uma

máquina Térmica, conforme mostra a figura 4.

Figura 4. O ciclo reversível de Carnot é composto de duas transformações isotérmicas (transformações a temperatura constante).

Máquina térmica

Uma máquina térmica (motor) produz trabalho a partir de calor, operando ciclicamente.

Conforme já anunciado anteriormente, é impossível com um único reservatório térmico: precisamos

ter pelo menos dois reservatórios térmicos a temperatura diferentes, T1 T2. O reservatório com

temperatura T1 será chamado de Fonte Quente, e o reservatório com temperatura T2 por Fonte Fria,

conforme mostra a figura 5.

Figura 5. Esquema de máquina térmica: Q1 é a fonte quente, Q2 é a fonte fria e W o trabalho.

Seja Q1 o calor fornecido ao sistema pela fonte quente e Q2 o calor fornecido pelo sistema à fonte

fria, e seja W o trabalho realizado pelo motor num ciclo, então:

21QQW

Algumas restrições com relação a está equação: Q2 não pode ser zero, caso isto ocorresse,

todo calor fornecido pela fonte quente (Q1) seria convertido integralmente em trabalho (W), e

teríamos uma máquina perfeita, violando um dos enunciados da segunda lei da termodinâmica. A

fonte Q1 não pode ser igual Q2 (Q1 = Q2), nesta situação não haveria realização de trabalho. A fonte

Q2 não pode ser menor que zero (Q2 0) o que equivaleria a absorver calor de ambas as fontes.

Rendimento

Uma vez que é impossível construir uma máquina térmica que, ao operar em ciclos,

transforme integralmente em trabalho todo o calor que fornece, podemos associar a cada máquina

térmica uma grandeza para medir seu grau de eficiência, que será denominada de rendimento (),

consiste na razão entre o trabalho mecânico realizado pela máquina e a quantidade de calor

fornecida pela fonte.

1

2

1

1Q

Q

Q

W

O rendimento de uma máquina térmica é sempre menor que 1, ou seja, é sempre menor que 100%.

Refrigerador: transformação de trabalho em calor

Os refrigeradores são máquinas que convertem trabalho em calor, ou seja, uma máquina que

transfere calor de uma fonte fria, que se encontra a uma temperatura mais baixa (os compartimentos

internos), para uma fonte quente, que está a uma temperatura mais alta (o ambiente externo).

Trata-se então de um dispositivo que contraria a segunda lei da termodinâmica? Não, pois

essa transferência de calor de uma fonte fria para outra quente, só é possível graças ao trabalho

realizado por um agente externo. Nas geladeiras e freezers, um compressor realiza o trabalho, na

figura 6 mostra o esquema de uma máquina deste tipo.

Figura 6. Esquema básico de um refrigerador.

IMPLEMENTAÇÃO

As simulações computacionais colaboram de maneira significativa no processo ensino e

aprendizagem da Física, facilitando em muitos momentos o processo de entendimento como os

fenômenos físicos ocorrem. Desta forma, os conteúdos acima abordados serão trabalhados em

sala de aula através de diferentes simulações didáticas, todas disponíveis na internet. O aluno

irá elaborar suas conclusões que correlacionam as grandezas abordados com as leis da

termodinâmica. Esta metodologia irá proporcionar aos alunos o manuseio de editor de texto e

planilhas de gráficos que nem sempre são de uso cotidiano dos mesmos. No final da

implementação desse projeto pedagógico, uma nova avaliação será aplicada com o intuito de

avaliar o rendimento de cada participante em relação aos conceitos trabalhados. Trata-se de

uma metodologia diferenciada, onde o material didático será exclusivamente a mídia. Em

resumo, temos que:

As simulações permitem aos alunos relacionarem mais facilmente as equações

matemática com as medidas físicas. Porque os alunos podem variar os parâmetros

envolvidos nos fenômenos estudados e observar os efeitos dessas variações.

Em muitos tópicos dos conteúdos trabalhados, somente a explicação do professor não é

suficiente para levar os alunos a desenvolver um modelo físico do sistema exposto.

Uma simulação bem concebida ajuda os estudantes compreenderem e analisarem os

modelos físicos propostos.

Como a física trabalha com equações, gráficos, vetores, muitos alunos têm dificuldades

de relacionar os dados das situações proposta com as equações matemática, bem como,

fazer sua interpretação gráfica. As simulações colaboram na obtenção destes dados,

permitindo aos estudantes traçar gráficos do fenômeno estudado.

Com as simulações facilita uma relação melhor entre teoria prática, melhorando o nível

de entendimento e compreensão do conteúdo estudado.

O trabalho desta unidade temática será desenvolvido em trinta e duas aulas, que serão

distribuídas em oito encontros. Onde os alunos desenvolverão atividades relacionadas a

termodinâmica, utilizando os recursos da multimídia, produzindo relatórios, gráficos e interpretando

as simulações computacionais.

Primeiro encontro 4horas/aulas

Explanação oral sobre as atividades desenvolvidas durante a execução da unidade

temática;

Aplicação de uma avaliação diagnóstica, individual, para verificar o nível de

conhecimento dos educandos sobre o tema que será abordado.

Aluno(a):

Avaliação do conteúdo Termodinâmica.

1- Assinale a opção correta sobre o conceito de temperatura.

( ) temperatura e calor são sinônimos.

( ) temperatura é o aumento de calor que o corpo sente.

( ) é sensação térmica de quente e frio.

( ) é um estado de agitação das moléculas do corpo.

2- Equilíbrio térmico ocorre:

( ) entre corpos com temperatura iguais.

( ) entre corpos com temperatura superior ao ponto de ebulição da água.

( ) entre corpos com temperatura diferente,

( ) entre corpos com temperatura muito baixa.

3- Pressão mede:

( ) o número de partículas dentro do recipiente.

( ) o choque das partículas com a parede do recipiente.

( ) a velocidade das partículas dentro do recipiente.

( ) a força do choque entre as partículas.

4- Calor é:

( ) a diferença entre duas fontes com temperatura diferente.

( ) é energia estacionária entre dois corpos com temperatura diferente.

( ) é energia em movimento entre dois corpos com temperatura diferente.

( ) é a sensação de temperatura elevada.

5- Cite as escalas termométricas que você conhece.

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6- Fale sobre o funcionamento de um termômetro.

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7- Qual a definição de uma máquina térmica?

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8- Uma expansão isotérmica é;

( ) quando ocorre a volume constante.

( ) quando ocorre a pressão constante.

( ) quando ocorre a temperatura constante.

( ) quando ocorre troca de temperatura entre sistema.

9- Uma compressão adiabática é:

( ) quando o sistema perde calor para o meio ambiente.

( ) quando o sistema recebe calor do meio ambiente.

( ) quando ocorre troca de calor no sistema.

( ) quando há troca de calor do sistema com o meio.

10- Quando uma transformação ocorre à pressão constante, é denominada de:

( ) isobárica.

( ) isotérmica.

( ) isométrica.

( ) isocórica.

11- Quando uma transformação ocorre, a temperatura constante, é denominada de:

( ) isobárica.

( ) isotérmica.

( ) isométrica.

( ) isocórica.

12- A lei da termodinâmica que está diretamente relacionada com a conservação de energia é:

( ) a lei zero da termodinâmica.

( ) a primeira lei da termodinâmica.

( ) a segunda lei da termodinâmica.

( ) a transformação cíclica de um gás.

13- A lei da termodinâmica que estabelece o sentido da transformação de energia em processos

naturais é:

( ) a dos gás perfeito.

( ) a primeira lei da termodinâmica.

( ) a segunda lei da termodinâmica.

( ) a transformação cíclica de um gás.

14- As máquinas que convertem trabalho em calor são:

( ) motor a combustão.

( ) motor elétrico.

( ) freezer, geladeira e ar condicionado.

( ) forno de micro-ondas.

15- Nos carros novos que circulam nas cidades e rodovias, a conversão da energia proveniente do

combustível utilizado em energia útil (aquele que faz o veículo se mover), é aproximadamente de:

( ) 10%

( ) 20%

( ) 30%

( ) 50%

( ) 100 %

Segundo encontro 4 horas/aulas

TEMPERATURA, CALOR E PRESSÃO

Temperatura é a grandeza física macroscópica associada ao grau de agitação térmica média

das partículas de um corpo ou de um sistema termodinâmico.

Calor é energia térmica em trânsito de um corpo para outro devido à diferença de

temperatura entre eles.

Pressão é a razão entre a intensidade de uma força e a área da superfície sobre a qual sua

ação se distribui. Assim, como as moléculas de um gás estão em um constante estado de

movimentação, a pressão do gás surge em decorrência dos choques de suas moléculas com as

paredes do recipiente que as contém.

OBJETIVOS

Neste encontro vamos explorar os fenômenos relacionados à energia térmica, abordando os

fundamentos da Termometria, os estados físicos da matéria, o comportamento térmico de líquidos e

gases. Definindo o conceito de temperatura, calor e pressão.

CONCEITOS PRINCIPAIS

Energia térmica, calor, temperatura, pressão, volume, unidades das grandezas

termodinâmicas (P, T, V) e de calor.

METODOLOGIA

No primeiro momento identificar o que o aluno associa ao conceito de temperatura, calor e

pressão, por intermédio de pergunta lançada pelo professor. E a partir das respostas dos alunos

explorarem os conceitos corretos das grandezas envolvidas, utilizando recursos computacionais.

Simulação 1

Esta aplicação em java mostra um modelo microscópico para um gás ideal. A pressão que um gás

exerce nas paredes de seu recipiente é uma conseqüência das colisões das moléculas de gás com as

paredes. Neste modelo:

As moléculas obedecem à lei de Newton de movimento.

As moléculas se mudam para todas as direções com probabilidade igual.

As moléculas sofrem colisões elásticas com as paredes.

Você pode mudar os seguintes parâmetros:

N: Número total de moléculas

P: A pressão do sistema

V: A velocidade de cada molécula.

A largura do recipiente (Clique na parede do recipiente e arraste para o lado).

O volume do recipiente é ajustado automaticamente de acordo com os parâmetros anteriores. A

animação será suspensa enquanto você mantiver o botão do mouse pressionado, e retomado quando

você soltar o botão.

Nesta animação pode achar as relações entre:

número total de moléculas (N) - volume (V)

a pressão (P) do sistema - volume (V)

a velocidade média das moléculas (v) - volume (V)

http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/portuguese/simulacoes.html

www.schulphysik.de/ntnujava/idealGas/idealGas.html.

Simulação 2

Visto microscopicamente, um gás é composto de um número enorme de moléculas que se

movem incessantemente em todas as direções. Esse movimento, denominado movimento de

agitação térmica, leva as moléculas a se chocar umas com as outras e também contra as paredes do

recipiente. A pressão que o gás exerce sobre as paredes do recipiente é devida aos inúmeros

choques das moléculas contra essas paredes. É um bombardeamento contínuo, gerando uma força

que se distribui uniformemente sobre a superfície interna do recipiente.

Como usar este applet: Pode-se variar a temperatura do gás. Quanto maior a temperatura, mais

velozmente as moléculas se movem, maior é sua energia cinética e maior a pressão final sobre as

paredes do recipiente.

www.science.or.kr

Simulação 3

Em uma porção qualquer de gás, a quantidade total de moléculas é muito grande; mas a

distância média entre elas é também muito grande. Por isso é que, quando se condensa um gás, seu

volume diminui bastante. As partículas de um gás, sendo livres, descrevem cada uma um

movimento retilíneo uniforme. Somente quando colidem entre si ou com as paredes do recipiente, é

que sofrem a ação de um impulso e, devido a conservação do momento linear, alterando, portanto

sua velocidade. As moléculas se encontram em movimento desordenado e obedecendo às leis

fundamentais da Mecânica.

Como usar este applet: Inicialmente clique em Start. Este applet permite observar a trajetória de

uma só molécula (Green), em uma porção de gás, quando se altera: o volume (denominado -

Volume), a temperatura (denominado - Temperatuur), a quantidade de moléculas (denomiando -

Aantal Moleculen) e a massa das moléculas (denomiando - Molecuulmassa).

www.oocities.org/br/saladefisica3/laboratorio/.../gases.htm

Terceiro encontro 4 horas/aulas

EQUILÍBRIO TÉRMICO E A LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Calor é energia térmica em trânsito, fluindo entre sistemas com diferentes temperaturas, até

o estabelecimento do equilíbrio térmico.

OBJETIVO

Observar como ocorre a troca de energia entre dois corpos com temperaturas diferentes.

CONCEITOS PRINCIPAIS

Energia térmica, calor, temperatura.

METODOLOGIA

Será lançado aos alunos questionamentos sobre equilíbrio térmico entre corpos com temperaturas

diferentes. Partindo das respostas obtidas, vamos conduzir a resposta adequada e mostrar, através da

simulação o tempo necessário para que um sistema atinja o equilíbrio térmico. Este tempo,

denominado de tempo de relaxação pode variar dependendo da natureza dos corpos envolvidos, e

das temperaturas iniciais dos mesmos.

A simulação vai mostrar como a energia é trocada entre os corpos A e B, que representam dois

sistemas termodinâmicos termicamente isolados do meio ambiente. O gráfico exibe como a energia

está sendo transferida de um corpo para o outro.

Quarto encontro 4 horas/aulas

CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

Uma das leis fundamentais da Física é a lei da conservação da energia, que pode ser assim

enunciada:

A energia não pode ser criada nem destruída; pode apenas ser transformada de uma forma

em outra; e sua quantidade total permanece constante.

Segundo esse princípio de conservação, se dois sistemas estiverem em contato e isolados de

outros sistemas, uma forma de energia poderá ser transformada em outra e, se a energia de um

diminuir, a de outro terá de aumentar.

A primeira lei da Termodinâmica é uma lei que expressa o princípio de conservação de

energia de um sistema considerando três formas diferentes de energia: o trabalho mecânico (W), a

variação da energia interna (U) e o calor (Q).

OBJETIVO

Estudar e compreender que as transformações gasosas ocorrem quando, pelos menos duas

variáveis de estado sofrem uma alteração. Assim, o trabalho envolvido na transformação e a

variação da energia interna do sistema estão relacionados às variações, respectivamente, de volume

e de temperatura do sistema. Desta forma o trabalho será pelo sistema se o volume do gás aumentar;

e, trabalho será recebido pelo sistema se o volume do gás diminuir. O sistema apresenta uma

variação da energia interna será positiva, quando a temperatura do gás aumenta, e uma variação

negativa da energia interna se a temperatura diminuir.

CONCEITOS PRINCIPAIS

Energia térmica, calor, transferência de energia, trabalho, energia interna do sistema.

METODOLOGIA

Para a explanação detalhada da lei da conservação de energia será usado um vídeo de 1

minuto de duração. O vídeo trata do funcionamento do cilindro de um motor e pode ser encontrado

em (www.youtube.com/watch?v=UA9H2WLV9M0). Em seguir os alunos usarão os sites:

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo1/termo1.html

http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html. Neles, será possível simularem diferentes

situações que envolvam as relações entre trabalho termodinâmico, variação de energia interna e

quantidade de calor. A primeira simulação permite aos alunos variarem energia interna e calor. A

segunda permite analisar o gráfico da pressão versus volume.

Simulação 1

O estado inicial é especificado introduzindo a pressão, volume e temperatura na primeira

coluna do painel a direita.

Escolha o tipo de transformação (isocórica, isobárica, isotérmica e adiabática), clicando no

botão apropriado localizado no painel esquerdo.

Introduza os dados necessários para o estado final, conforme indicado na linha de status nos

botões à direita.

Pressione o botão Calcular.

Pressionando o botão <<<< e o estado final converte-se em estado inicial.

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo1/termo1.html

Simulação 2

O "Simulador de Transformações Termodinâmicas" foi concebido com o objetivo de

oferecer um ambiente onde possa correlacionar os conceitos: volume e sua variação, massa e sua

variação, força, área, pressão absoluta e manométrica, energia interna, temperatura e trabalho. A

figura abaixo representa um caso particular do comportamento entre a pressão e o volume do gás

num cilindro provido de um êmbolo. Esta simulação permite variar os volumes dos cilindros ou

fixar o volume de apenas um deles.

http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html

Quinto encontro 4 horas/aulas

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

A primeira lei da Termodinâmica estabelece que a energia se conserva sempre, não

importando em que forma se apresenta. Entretanto, os processos de conversão de energia de uma

forma em outra nem sempre são possíveis, apesar de eles não violarem a primeira lei da

termodinâmica. Quem prevê se os processos são ou não possível é, a segunda lei da

Termodinâmica. Há eventos que podem satisfazer a primeira lei, mas são “vetados” pela segunda.

Por exemplo, podemos estabelecer a quantidade de energia mecânica que pode ser obtida de certa

quantidade de energia térmica, porém essa conversão não se dá de modo simples, e é a segunda lei

que estabelece as condições em que ela pode acontecer.

É impossível a construção de uma máquina térmica que opere em ciclos, tendo como efeito

único retirar calor de uma fonte térmica e convertê-lo integralmente em trabalho.

OBJETIVO

Verificar o funcionamento das máquinas térmicas, relacionando o processo de conversão de

energia (Fonte quente – Q1), realizando trabalho (W) e calor transferindo parte para o reservatório

da (Fonte fria – Q2).

CONCEITOS PRINCIPAIS

Energia térmica, calor, temperatura, fonte quente, fonte fria e trabalho mecânico.

METODOLOGIA

O estudo da segunda lei da termodinâmica será iniciado propondo aos alunos uma questão

do Enem 2009 – Questão 39 como um desafio, que após serem analisada pelos alunos, será

comentada pelo professor.

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.

Disponível em: http://home.howstuffworks.com.

Acesso em: 08 de agosto 2011 (adaptado).

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.

Em seguida os alunos assistirão a dois filmes com a duração de aproximadamente 6 minutos

cada um, que estão nos sites relacionados abaixo.

www.youtube.com/watch?v=YQBLmI8HEHE

www.youtube.com/watch?v=nAIdk6sLmvc

Apresenta, então, a segunda lei da Termodinâmica como uma lei que estabelece o sentido da

transformação de energia em processos naturais: o calor por si só jamais flui espontaneamente de

um corpo frio para um corpo quente.

A simulação computacional onde os alunos poderão simular o funcionamento de uma

máquina térmica, atribuindo valores a fonte quente, fonte fria e obtendo o trabalho realizado pela

máquina será através do site http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html

http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html

Sexto encontro 4 horas/aulas

CICLO DE CARNOT

O princípio de funcionamento das máquinas térmicas foi estabelecido pelo físico francês

Nicolas Sadi Carnot antes de ser enunciada a segunda lei da Termodinâmica. Estudando essas

máquinas, Carnot percebeu que era fundamental uma diferença de temperaturas para que uma

máquina térmica funcionasse.

Então, para converter calor em trabalho, a máquina térmica deve funcionar entre duas fontes

térmicas: uma fonte quente a uma temperatura T1, da qual retira uma quantidade de calor Q1, e uma

fonte fria a uma temperatura T2, para a qual rejeita uma quantidade de calor Q2. A diferença entre

essas duas quantidades de calor, que serão considerados sempre em módulo, é exatamente o

trabalho obtido da máquina.

OBJETIVO

Mostrar os quatros estágios de um ciclo de Carnot e o diagrama (P, V) correspondente para

esse sistema, da seguinte forma:

Partindo do ponto (A), faz-se uma expansão isotérmica reversível à temperatura T1, até o ponto (B).

O gás realiza trabalho e absorve uma quantidade de calor Q1 da fonte quente.

A partir de (B), o sistema sofre uma expansão adiabática reversível: o gás realiza trabalho e sua

energia interna diminui, com consequente queda de temperatura de T1 para T2 (C).

Partindo de (C), o recipiente é colocado em contato térmico com a fonte fria e é submetido a uma

compressão isotérmica reversível à temperatura T2 da fonte fria. O gás recebe trabalho e fornece

uma quantidade de calor Q2 à fonte fria, até chegar ao ponto (D), situado sobre a adiabática que

passa por (A).

Finalmente, a partir de (D), o sistema é submetido a uma compressão adiabática reversível,

aquecendo o gás até que ele retorne à temperatura T1 da fonte quente. A partir deste ponto o ciclo

fecha.

CONCEITOS PRINCIPAIS

Trabalho mecânico, temperatura, fonte quente, fonte fria, expansão isotérmica, expansão

adiabática, compressão isotérmica e compressão adiabática.

METODOLOGIA

Por meio de duas simulações que mostram a expansão isotérmica, a expansão adiabática, a

compressão isotérmica e a compressão adiabática, analisaremos o ciclo de Carnot. As simulações

podem ser encontradas nos sites http://www.fisica.ufs.br/egsantana/estadistica/carnot/carnot.htm.

http://www.oocities.org/br/saladefisica3/laboratorio/carnot/carnot.htm.

A primeira simulação (fornecida pelo primeiro site descrito) o aluno verá o ciclo de Carnot

independente de dados atribuídos. A segunda simulação, bem mais completa, mostra as relações

entre as grandezas termodinâmicas durante o ciclo. No entanto, valores devem ser atribuídos a

alguns relacionados.

http://www.oocities.org/br/saladefisica3/laboratorio/carnot/carnot.htm http://www.fisica.ufs.br/egsantana/estadistica/carnot/carnot.htm

Sétimo encontro 4horas/aulas

RENDIMENTO DAS MÁQUINAS TÉRMICAS

Carnot demonstrou que o rendimento máximo de qualquer máquina térmica que opere entre

duas fontes de calor, será máximo se for reversível, e também existe uma relação de

proporcionalidade entre as quantidades de calor da fonte fria e da fonte quente e as temperaturas

dessas duas fontes, da seguinte maneira:

1

2

1

2

T

T

Q

Q

OBJETIVO

Obter o rendimento () da máquina térmica pela relação entre a energia útil obtida da

máquina, que é o trabalho (W) e a energia total, que é a quantidade de calor (Q), recebida da fonte

quente.

1Q

W

Observando que o rendimento de 100% ( =1) contraria a segunda lei da termodinâmica.

CONCEITOS PRINCIPAIS

Energia útil (trabalho mecânico), energia total, temperatura, fonte quente, fonte fria,

rendimento.

METODOLOGIA

O programa mostra uma máquina térmica na qual podemos especificar o valor das

temperaturas da fonte fria e quente e também calor fornecido.

www.cs.sbcc.edu/~physics/flash/.../Carnot%20cycle.html

http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html

Nesta simulação os alunos podem observar e analisar o rendimento de uma

máquina térmica atribuindo valores as fontes quente e fria e o calor da fonte quente.

O professor aplicará novamente a mesma prova que foi aplicada no primeiro encontro, com

o objetivo de avaliar o nível de crescimento dos alunos em relação ao conteúdo ministrado.

Também serão debatidos com o grupo os pontos positivos e negativos da unidade temática

trabalhada, o professor acolhe todas as sugestões propostas pelo grupo que poderá ser utilizada para

melhoria da unidade.

Oitavo encontro

Os resultados aqui obtidos serão socializados com o corpo docente e discente do colégio de

aplicação.

ORIENTAÇÕES/RECOMENDAÇÕES AO PROFESSOR

Está unidade didática poderá ser desenvolvida em quantidades diferentes de aulas,

dependendo da implementação que o professor deseja explorar;

Para rodar (funcionar), muitas animações necessita que no computador esteja instalado o

Java Virtual Machine (http://www.java.com/pt_BR/download/).

As simulações serão úteis no ensino da física, somente se o professor explorar o conteúdo

didático na sua totalidade.

As simulações computacionais auxiliam muito ao professor no desenvolvimento do

conteúdo programático, mas não pode substituir uma prática de laboratório.

Bibliografia

[1] Nussenzveig, H. M., Curso de Física Básica – Vol. 2, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo

(1981).

[2] GREF – Grupo de Reelaboração do Ensino da Física, Vol. 2, 2ª Edição, Edusp, São Paulo

(1993).

[3] Blaidi, Sant’Anna; Martini, G; Reis, H. C; Spinelli, W., Conexões com a Física – Vol. 2,

Editora Moderna, São Paulo (2010).

[4] Torres, C. M. A; Ferraro, N. G; Soares, P. A. T., Física – Ciência e Tecnologia – Vol. 2,

Editora Moderna, São Paulo (2010).

[5] Site das animações;

http://www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html

http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/portuguese/simulacoes.html

http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/diaadia/diadia/modules/mydownloads_08/viewcat.php?cid=2

http://www.stefanelli.eng.br/webpage/simtermo/p_sim_tp.html

www.oocities.org/br/saladefisica3/.../isometrica.htm

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo1/termo1.html

www.fis.unb.br/simulacao/termodinamica/termodinamica.html