Atividade para impressão - Questionário - Trabalho e Calor
Plano de Aula
Plano de aula: Trabalho e Calor
Plano 1 de uma sequência de 5 planos. Veja todos os planos sobre Equilíbrio termodinâmico e vida na Terra
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.
Materiais Complementares
Sugestão de adaptação para ensino remoto
Ferramentas sugeridas
Essenciais:
- Videochamadas: Zoom ou Hangouts.
- Envio de mensagens e documentos: e-mail, Whatsapp ou Google Classroom.
Optativas: caso a turma disponha de tempo e de conexão síncrona de qualidade, os alunos podem construir a cadeia virtualmente, com o professor compartilhando as imagens em arquivos do Google Drive.
Contexto e questão disparadora
Peça aos estudantes que leiam o texto presente nos slides "Contexto" e apresente a questão disparadora:
- Como o vapor é capaz de mover uma máquina?
Mão na massa
Marque uma videochamada e explique o funcionamento do simulador “Formas de energia e transformações” (disponível aqui).
Essa ferramenta simulará a transformação de variadas formas de energia.
Envie o link aos estudantes. Oriente-os a explorarem o simulador e peça que registrem observações a partir das seguintes questões:
- O que acontece com a combinação chaleira + roda d’água + hélice? E por quê?
- O que acontece com a combinação chaleira + roda d’água + água? E por quê?
- O que acontece com a combinação chaleira + roda d’água + lâmpada? E por quê?
Sistematização
Marque outra videochamada com toda a turma, proponha que os estudantes compartilhem as respostas e siga as orientações presentes no plano.
Convite às famílias
Os membros da família podem colaborar na utilização do simulador e interpretação dos dados.
7° Ano
Objetivos de aprendizagem
Interpretar o funcionamento de uma máquina à vapor simples e simular um sistema simples, de dilatação e contração de gases, para obter de forma intuitiva e por observação a 1º e a 2º Lei da Termodinâmica.
Habilidade da Base Nacional Comum Curricular
(EF07CI04) Avaliar o papel do equilíbrio termodinâmico para a manutenção da vida na Terra, para o funcionamento de máquinas térmicas e em outras situações cotidianas.
Este plano foi elaborado pelo Time de Autores NOVA ESCOLA”.
Professor-autor: Juliana Mascarenhas
Mentor: Denise Cure
Especialista: Leandro Holanda