Sobre esta aula
Este slide não deve ser apresentado para os alunos, ele apenas resume o conteúdo da aula para que você, professor, possa se planejar.
Este plano levará a dedução da Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica, de forma intuitiva observando o funcionamento de uma máquina térmica.
Resumidamente a Primeira Lei da Termodinâmica trata do processo de conservação da energia durante uma transformação térmica e/ou ciclo térmico. Deste modo pode-se resumi-la como sendo:
T=?U+Q
Em que T é o trabalho realizado ou sofrido, U é a energia interna (soma das energias cinéticas e potencial de cada partícula que constitui o sistema) e Q é o calor absorvido ou retirado do sistema.
As máquinas térmicas apresentam ciclos que a energia interna do final do ciclo é igual a do início, desta forma não há variação da energia interna e o calor é transformado em trabalho.
Já a Segunda Lei da Termodinâmica trata do rendimento das máquinas térmicas, sendo o enunciado de Kelvin o mais conhecido: “ É impossível que um sistema térmico, operando em ciclos transforme integralmente calor em trabalho”.
Observando isso, o francês Carnot notou que se o ciclo fosse composto por duas transformadores isotérmicas e duas adiabáticas, o rendimento de uma máquina térmica, seria dado por:
n = 1 - (T fria / T quente)
Este ciclo ficou conhecido por Ciclo de Carnot.
Materiais necessários para a aula: Seringa com o bico vedada com cola quente ou silver tipe, pote com água quente, pote com água fria e atividade impressa, disponível no material complementar.
Materiais de apoio:
SANTIAGO,E., “Motor à vapor”,Infoescola, disponível em <https://www.infoescola.com/termodinamica/motor-a-vapor/>, acesso 10/08/2018
SANTOS, J.C.F., “Transformações cíclicas e máquinas térmicas”, Educação - O Globo, disponível em <http://educacao.globo.com/fisica/assunto/termica/transformacoes-ciclicas-e-maquinas-termicas.html> acesso 10/08/2018
SANTOS, J.C.F., “Termodinâmica”, Educação - O Globo, disponível em <http://educacao.globo.com/fisica/assunto/termica/termodinamica.html> acesso 10/08/2018
Curiosidade sobre os veículos à eletricidade e à vapor
“Por que usamos gasolina se já tinhamos carros elétricos e à vapor?, Terra, disponível em<https://www.terra.com.br/economia/por-que-usamos-gasolina-se-ja-tinhamos-carros-eletricos-e-a-vapor,57fb60136326cc7e4e7329f741e78202ydocsoat.html> acesso 10/08/2018
Título da aula
Tempo sugerido: 2 minutos
Orientações: Leia o título da aula “ Trabalho e Calor” e em seguida pergunte:
“Vocês lembram o que é calor?”
“O que vocês definem por trabalho?”
A unidade CIE7-02ME trata de fluxo de calor entre corpos. Ressaltando que o calor é transmitido do corpo mais quente (aquele que apresenta maior temperatura) para o corpo mais frio (aquele com menor temperatura) até que ambos atinjam temperaturas semelhantes. Importante também lembrar que temperatura relaciona o grau de agitação das partículas que compõem os corpos, colocando a energia em trânsito.
As respostas podem ser bem variadas, como para a primeira questão: “calor é algo quente” (caso não tenha aplicado a unidade CIE07ME02) ou “calor é uma forma de energia”, “é energia sendo trocada entre dois corpos”, já para a segunda: “trabalho é o que meu pai faz todo dia para a empresa” ou “trabalho é fazer qualquer coisa que você receba algo em troca”.
Ouça atentamente cada resposta, busque explorar ao máximo a criatividade da turma, mas por enquanto não se preocupe em corrigi-los.
CONTEXTO
Tempo sugerido: 5 minutos
Orientações: Relate para a classe que o século XVIII foi marcado pelo invento de diversas máquinas térmicas, como o tear industrial, a locomotiva tipo Maria Fumaça, e alguns veículos à vapor, como o apresentado na figura.
Leia o pequeno texto e diga que o tema da aula é o funcionamento desse tipo de máquina e alguns dos conceitos físicos envolvidos.
Pergunte se eles conseguem imaginar como essas máquinas funcionavam, quais materiais eram necessários para mantê-las em uso.
Neste momento é provável que as respostas sejam, para a primeira questão: “elas funcionavam usando vapor” ou “o vapor era a gasolina dessas máquinas”, já para a segunda “carvão e fogo”, “lenha e água”, o importante é chegarem em “carvão/lenha, oxigênio/fogo e água”
QUESTÃO DISPARADORA
Tempo sugerido: 3 minutos
Orientações: Divida a classe em grupos, em seguida leia a questão disparadora. Deixe que eles respondam sem intervir ou corrigindo as respostas. A atividade proposta levará à resposta correta.
Distribua a atividade impressa, disponível no material complementar.
MÃO NA MASSA
Tempo sugerido: 30 minutos
Orientações: Após entregar a atividade impressa, projete o slide ou faça a tabela acima no quadro.
Antes que os alunos realizem a atividade e observem o que acontece no sistema, introduza ar na seringa e sele a ponta com cola quente. Dê tempo para que eles respondam as questões relacionadas à atividade.
Após cada grupo preencher a tabela, realize as seguintes perguntas:
“O que aconteceu com o gás para que ele pudesse movimentar o êmbolo da seringa?”
A resposta para essa questão deve ser algo como: “O gás aquece e se expande, movendo (empurrando) o êmbolo”, guie a turma para chegarem em resposta semelhante, com outras questões, se necessário.
“A partir do que observaram nessa atividade, como é possível aproveitar o gás para obter uma máquina?”
Para essa questão, deixe que cada turma levante suas hipóteses e imaginem como o sistema à vapor funciona.
Materiais necessários para a aula: Seringa com o bico vedada com cola quente ou silver tipe, pote com água quente, pote com água fria e atividade impressa, disponível no material complementar.
MÃO NA MASSA
Orientações: Apresente esse slide para a sala,
Peça que cada grupo discuta como é possível que o êmbolo do pistão consiga subir e descer para que o veículo entre em movimento e respondam as questões da atividade 2, na folha impressa entregue a eles.
Peça para relacionarem a Atividade1 com o que observaram da máquina à vapor e apresentem suas ideias. Eles devem ser capazes de perceber que quando a seringa foi mergulhada na água quente o ar expandiu empurrando o êmbolo, o mesmo acontecendo com o pistão com a entrada do vapor. Ao se resfriar o vapor o pistão retorna à posição inicial; esta situação é semelhante ao que acontece com a seringa ao ser mergulhada em água fria.
Finalmente fale que esse é o esquema simples de uma máquina térmica.Pergunte se há algo em comum com o que imaginaram, então explique onde se localiza a fonte quente (combustível queimando) e a fonte fria da máquina térmica (sistema de refrigeração do vapor).
Link para a animação (Gif)https://gph.is/2BqRS5O e https://media.giphy.com/media/7NOUJVqMnWjiKpxjCv/giphy.gif
SISTEMATIZAÇÃO
Tempo sugerido: 10 minutos
Orientações: Retome a questão disparadora “Como o vapor é capaz de mover uma máquina?” e aguarde as respostas de cada grupo. Ouça atentamente cada resposta, elas devem girar em torno de: “Quando um gás é aquecido ele se torna capaz de mover um pistão que transmite o movimento que é usado para a máquina trabalhar”.
Em seguida, mostre o slide e explique a 1° e a 2° lei da Termodinâmica, já descrita nesse slide. Explique que o calor gerado pelas chamas da caldeira - energia térmica, é convertido em energia mecânica, durante a expansão do vapor, que movimenta o pistão. Explique também que nem toda energia térmica é convertida em energia mecânica, como demonstra a segunda lei da Termodinâmica.
Caso algum aluno questione os motivos que fazem o calor gerado não ser 100% convertido em trabalho, explique simplesmente que parte da energia térmica é perdida para o ambiente, enquanto parte se perde no resfriamento do vapor, além, claro, de todo o atrito que ocorre na parte mecânica do sistema.
Por fim, peça para anotarem as leis da Termodinâmica em seus cadernos.
