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OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá ser capaz de:
Compreender a lei geral dos gases;
Identificar as principais transformações que ocorrem com os
gases: isométrica, isobárica, isotérmica e adiabática;
Calcular volume, pressão, temperatura por meio da lei geral dos
gases;
Identificar as causas do brilho variável das estrelas cefeidas;
DURAÇÃO
Este encontro utilizará 2h – aula (45 min)
RECURSOS/MATERIAIS DE APOIO
Computador;
Data show;
Quadro branco e caneta;
INTRODUÇÃO
Apresentação do tema introdutório
A aula iniciará com o vídeo ABC da Astronomia: Galáxias, o qual irá
apresentar algumas características gerais destes objetos astronômicos.
GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR O que são estrelas cefeidas?
Figura 01: Vídeo Abc da Astronomia – Episódio 8: Galáxias
Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=6iFEYS_Fxfw
O professor esclarecerá que estrelas chamadas de cefeidas ajudaram
na compreensão destes objetos astronômicos. Após, realizará a pergunta “O
que são estrelas cefeídas”?
São estrelas supergigantes com tipo espectral entre F e K que pulsam
de forma regular, apresentando períodos de pulsação entre 1 e 100 dias1. A
descoberta destas estrelas foi feita por Jonh Goodrike no ano de 1784 na
constelação de Cefeu.
Usando a relação período-luminosidade, descoberta pela astrônoma
Henrietta Swan Leavitt em 1883 e aperfeiçoada por Ejnar Hertzprung em 1911,
é um dos modos de determinar a distância destas estrelas. Hertzprung
determinou a distância da Nuvem de Magalhães (galáxia anã que orbita a Via
Láctea).
Figura 02: Ilustração da Via Láctea, Pequena e grande Nuvem de Magalhães
Disponível em: Aplicativo Celestia
O astrônomo Edwin Powell Hubble também utilizou esta relação para
1 Estrelas Variáveis - http://www.if.ufrgs.br/fis02001/aulas/estvar.htm
calcular a distância até a galáxia de Andrômeda, em 1923. Nesta época,
haviam duvidas se a Via Láctea consistia em um objeto idêntico a galáxia de
Andrômeda, ou então representava todo o universo. A resposta para este
enigma estava em determinar a distância até a Galáxia de Andrômeda,
descobrindo se ela estava contida ou não dentro da Via Láctea. Hubble,
descobriu estrelas cefeidas na Galáxia de Andrômeda, realizando medidas do
período de luminosidade delas.
Figura 03: Estrelas cefeída encontrada na Galáxia de Andrômeda
Disponível em: http://g1.globo.com/platb/observatoriog1/2011/05/25/a-estrela-que-mudou-o-universo/
Sua distância estava muito além das estrelas mais distantes da Via
Láctea. Assim, Hubble concluiu que a Via Láctea era uma galáxia como a de
Andrômeda.
Esta etapa será finalizada com a pergunta: O que causa este brilho
variável das estrelas cefeidas? A resposta depende da compreensão das
transformações termodinâmicas.
DESENVOLVIMENTO
Conhecimentos prévios
Para identificar os conhecimentos prévios, será questionado aos alunos
“Quais as características que podem ser analisadas nos gases?”. As respostas
deverão ser anotadas no quadro. Deverão ser enfatizados os conceitos de
pressão, temperatura e volume, destacando que eles se relacionam através da
equação dos gases ideais.
Apresentação do Organizador prévio
O exemplo da festa será utilizado novamente para facilitar a
compreensão dos alunos. No estudo das transformações termodinâmicas, o
interesse está em determinar as variáveis de estado (pressão, temperatura e
volume) de um gás antes e depois de transformá-lo, bem como o modo ele é
transformado.
Logo, o organizador prévio focará nas seguintes características: Início da
festa (Estado inicial), fim da festa (Estado final) e o modo como o Dj interfere
na festa (transformação termodinâmica). O professor realizará a seguinte
pergunta “O que podemos fazer para transformar uma festa e modificar seu
fim?”. A resposta é que de acordo com a música colocada pelo Dj durante a
festa, haverá diferentes finais.
Figura 04: Organizador prévio - Transformações termodinâmicas
Estabelecendo a relação com um gás dentro de um recipiente, o
professor buscará identificar as mesmas características das festas nos gases,
ou seja:
Como o gás estava (Início da festa - Estado inicial);
Como o gás ficou (Fim da festa - Estado final);
De que modo ele foi alterado pelo Dj (Transformação
termodinâmica).
Figura 05: Estados inicial e final de um gás
Uma sugestão interessante é utilizar a simulação PHET Propriedades
dos gases simultaneamente para apresentação do organizador prévio. Esta
etapa encerrará destacando que do mesmo modo que transformamos uma
festa para ter diferentes finais, podemos também transformar os gases para
diferentes estados finais. Na apostila dos alunos eles responderão ao exercício
7-1.
Transformações termodinâmicas
Buscando apresentar as transformações termodinâmicas de modo mais
contextualizadas, serão adotadas as seguintes etapas:
Apresentar o comportamento do gás PHET Propriedades dos
gases;
Apresentação de exemplos de onde ela ocorre;
Resolução de um exercício de fixação, juntamente com análise
gráfica.
Figura 06: Simulação PHET – Propriedades dos Gases
Disponível em: http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/category/physics/
Transformação isométrica
Inicialmente será apresentada esta transformação isométrica utilizando o
PHET Propriedades dos gases. No canto superior direito, a opção “volume”
deverá ser selecionada no campo “Parâmetro constante”. O professor deverá
indicar aos alunos onde estão sendo indicados os valores de temperatura e
pressão.
Um exemplo da transformação isométrica é no interior de geladeira. Aqui
o professor esclarecerá que as geladeiras não possuem um dispositivo que as
impede de ser aberta, imediatamente após serem fechadas. O que ocorre é
uma transformação isométrica do ar.
Figura 07: Exemplo de transformação isométrica
Disponível em: http://www.dicaki.com.br/como-descongelar-uma-geladeira-corretamente/
Ao entrar, ele permanece com o mesmo volume, mas como a geladeira
diminui sua temperatura, consequentemente diminui sua pressão. Na apostila,
os alunos responderão os exercícios 7-2 e 7-3. Por fim, será realizada a
resolução do exercício de fixação 7-4, juntamente com a análise gráfica.
Transformação Isobárica
Inicialmente será apresentada esta transformação isométrica utilizando o
PHET Propriedades dos gases. No canto superior direito, a opção “pressão”
deverá ser selecionada no campo “Parâmetro constante”. O professor deverá
indicar aos alunos onde estão sendo indicados os valores de temperatura e
pressão. A apresentação consistirá fornecer e retirar energia do gás,
analisando os valores de pressão, temperatura e volume da caixa.
No exemplo de uma transformação isobárica, será retomado o
experimento de dilatação do gás no interior de uma garrafa pet de 2L com uma
sacola presa na boca (aula 3).
Figura 07: Exemplo transformação isobárica
Caso necessário, o experimento poderá ser realizado novamente. Na
apostila, os alunos responderão aos exercícios 7-5 e 7-6. Será realizada a
resolução do exercício de fixação 7-7, juntamente com a análise gráfica.
Transformação isotérmica.
Seguindo a mesmas etapas utilizadas anteriormente, a transformação
isotérmica será apresentada utilizando o PHET Propriedades dos gases. No
canto superior direito, a opção “temperatura” deverá ser selecionada no campo
“Parâmetro constante”. O professor deverá indicar aos alunos onde estão
sendo indicados os valores de temperatura e pressão. A apresentação
consistirá fornecer e retirar energia do gás, analisando os valores de pressão,
temperatura e volume da caixa.
O exemplo apresentado desta transformação foi de uma seringa que
comprime o ar lentamente.
Figura 08: Exemplo transformação isotérmica
Disponível em: http://www.dicaki.com.br/como-descongelar-uma-geladeira-corretamente/
O professor deve destacar que a compressão deve ocorrer de forma
lenta, pois desta forma o gás não alterará sua temperatura. Caso a seringa seja
comprimida rapidamente, será outro tipo de transformação termodinâmica. Os
alunos responderão o exercício 7-8 na apostila. Será realizada a resolução do
exercício de fixação 7-9, juntamente com a análise gráfica.
Transformação adiabática
Inicialmente será apresentada a transformação adiabática utilizando o
PHET Propriedades dos gases. No canto superior direito, a opção “nenhuma”
deverá ser selecionada no campo “Parâmetro constante”. O professor deverá
indicar aos alunos onde estão sendo indicados os valores de temperatura e
pressão. pressão, temperatura e volume da caixa.
Os exemplos que podem ser utilizados para ilustrar este tipo de
transformação são a queda de um meteoro.
Figura 09: Exemplo transformação adiabática
Disponível em: http://filosofiaimortal.blogspot.com.br/2013/02/ufo-interferiu-em-meteoro-russo.html
Na análise gráfica, o professor procurará diferenciar os gráficos da
transformação adiabática e isotérmica.
Também poderá ser exibido o vídeo disponível em
https://www.youtube.com/watch?v=tb316VfBUZI exemplificando esta
transformação.
Reconciliação integrativa
Ao final da apresentação das transformações termodinâmicas, o
professor poderá apresentar o resumo geral das transformações, para que os
alunos possam diferencias as características de cada uma delas.
ENCERRAMENTO
Retomada do tema introdutório – O que são estrelas Cefeidas?
A retomada do tema introdutório iniciará com a pergunta: “O que causa
este brilho variável das estrelas cefeidas?”.
Apesar desde fenômeno possuir características muito peculiares, será
apresentado um modelo teórico simples, utilizando algumas transformações
termodinâmicas para explicá-lo. Para ilustrá-lo há uma animação
confeccionada nos slides.
O modelo simplificado consiste em analisar o comportamento da
camada de hélio existente ao redor do núcleo. Foram propostas quatro etapas
para descrever seu comportamento.
Primeira etapa - A camada de hélio recebe energia do núcleo da
estrela, na forma de radiação gama. Isto aumenta a temperatura e
pressão, mas mantendo o volume constante desta camada.
Temos um exemplo do que ocorre numa transformação
isométrica.
Figura 10: Slide Primeira etapa
Segunda etapa - a camada atinge uma determinada pressão
suficiente para vencer a pressão das camadas externas de gases.
Assim, ela expande, aumentando seu volume e temperatura, mas
mantendo sua pressão constante. Temos então o exemplo de
uma transformação isobárica.
Figura 11: Slide Segunda etapa
Terceira etapa - A camada deixa de expandir porque seus gases
deixam de absorver energia do núcleo. Ela manterá o volume
inalterado, mas diminuirá sua pressão e temperatura. Teremos
novamente uma transformação isométrica.
Figura 12: Slide terceira etapa
Quarta etapa – Após esfriar, camada de hélio começa a ser
comprimida pelas camadas de gases externos. A temperatura
começará a aumentar, o volume diminuirá, mas a pressão
permanece constante. Temos novamente uma transformação
isobárica.
Figura 13: Slide quarta etapa
AVALIAÇÃO
Exercícios de fixação
Os alunos responderão os exercícios de transformações termodinâmicas
existentes em suas apostilas.
Mapas conceituais
No final da apostila dos alunos há uma tarefa, que consiste na
elaboração de um mapa conceitual, utilizando os conceitos vistos nesta aula.
Para facilitar a elaboração, alguns conceitos foram sugeridos.
LINKS PARA CONSULTA
Estrelas Cefeidas
http://astro.if.ufrgs.br/estrelas/variaveis.htm
Galáxias
http://astro.if.ufrgs.br/galax/