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Por que as coisas mudam tanto quando esquentam muito? Trabalhando os conceitos da transferência de calor e mudança de estado.
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Conhecer as três formas de transferência de calor: condução, convecção e radiação;
Identificar as mudanças de estado físico da matéria e entender a definição de calor latente de transformação através de procedimentos experimentais.
4 horas/aula
Conceitos de calor e de temperatura;
Escalas termométricas;
Transferência de calor e equilíbrio térmico;
Capacidade calorífica e calor específico.
PREPARAÇÃO DA AULA:
Esta aula utilizará a rede social Facebook como ferramenta pedagógica. Assim, o professor deverá criar uma conta para a turma nesta rede social e certificar-se de que todos os alunos sejam adicionados. Será necessário que todos os alunos possuam um email pessoal. Sugere-se, então, que esta etapa seja realizada junto com os discentes antes de iniciar as atividades dessa aula. O docente poderá utilizar um projetor data-show para que todos visualizem seus passos e participem deste processo. Tutorais para a criação de uma conta no Facebook são indicados nos recursos complementares.
ATIVIDADE 1: Transferência de calor: eu conhecia e não sabia!
Nesta atividade será necessário o uso de cubos de gelo feitos com água colorida, copos transparentes, água a temperatura ambiente, computadores com acesso a internet, caderno e lápis ou caneta para anotações. O docente deverá acordar com a turma as seguintes regras:
- Formação de seis grupos;
- Participação ativa de todos durante a atividade;
- Dedicação nas tarefas da rede social.
O docente deverá iniciar a atividade dividindo a turma em seis grupos e entregando os copos transparentes com água. Quando esta estiver parada, colocar cuidadosamente um cubo de gelo em cada copo. A experiência é baseada no vídeo Ice Cube Convection Experiment (Experimento de convecção com cubo de gelo), que pode ser visto no site http://www.youtube.com/watch?v=QBVMm9i-pvo. ATENÇÃO: Os alunos não devem assistir ao vídeo, ele tem a função apenas de mostrar ao professor o material utilizado e o experimento.
O docente deverá pedir que cada grupo faça anotações sobre o que é observado. Em seguida, o professor solicitará que os alunos assistam ao vídeo Tea Bag Rockets Convection Current fire Experiment (Experimento de corrente de convecção com fogo: foguetes de sacos de chá), disponível no endereço: http://www.youtube.com/watch?v=GkkrXxJ4db8.
A princípio, o professor deverá evitar termos como "calor" ou "condução" e até mesmo citar a palavra "transferência". Deixe os alunos realizarem o experimento sem serem "influenciados" por comentários antes que eles se debrucem sobre o que será observado. Quando todos tiverem concluído e observado o experimento e o vídeo, pergunte aos discentes: Por que isto ocorre? Por que a água colorida desliza ordenadamente para o fundo? Por que ao ser incendiados os sacos de chá voam? Registre na lousa as hipóteses dos alunos. A tentativa de realizar o experimento ANTES do embasamento teórico faz com que os alunos passem por passos que estimulam o pensamento científico, como resume a figura 1.
Figura 1: Resumo do método científico em forma de diagrama, indicando o ato da observação e experimentação como uma etapa fundamental no processo científico.
Fonte: http://elderbio.blogspot.com.br/2011/01/o-pensamento-cientifico.html.
1.2 Vamos entender o que acontece?
Os alunos realizarão uma pesquisa na internet e deverão anotar em seus cadernos fatos relacionados às seguintes expressões enquanto exploram os sites sugeridos adiante:
a. Isso é interessante;
b. Eu já sabia disso;
c. Eu não sabia disso;
d. Eu não entendi;
e. O que é isso?
Radiação, Condução e Convecção
http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/radiacao-conducao-conveccao.htm
http://meuartigo.brasilescola.com/fisica/conducao-conveccao-irradiacao.htm
Processo de propagação de Calor
http://www.brasilescola.com/fisica/processo-propagacao-calor.htm
Transferência de calor de um sistema
http://www.brasilescola.com/quimica/transferencia-calor-um-sistema.htm
Vamos organizar o que aprendemos? – Mapas Conceituais
Para organizar as informações encontradas e, assim, o novo conhecimento adquirido nesta atividade, os discentes trabalharão com mapas conceituais através do software WebCMap. Este recurso proporciona a construção de mapas conceituais de maneira bem simples, e está disponível para uso no Portal do Professor através do seguinte endereço eletrônico: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/13159/open/file/editor_mc1011.swf?sequence=3. Mais informações sobre a utilização dos mapas conceituais na aprendizagem podem ser encontras nos sites sugeridos nos Recursos Complementares da aula.A figura 2 traz um exemplo de como o mapa conceitual pode sistematizar o conteúdo sobre eletromagnetismo. Cada equipe deverá criar um mapa adicionando os conceitos que julgarem mais importantes de uma maneira lógica. Isto é feito preenchendo os retângulos com as informações e também adicionando palavras-chaves sobre as setas que ligam os blocos.
Figura 2: Exemplo de como utilizar um mapa conceitual para organizar o conhecimento sobre eletromagnetismo.
Fonte: http://fisicanoblog.blogspot.com.br/.
Os mapas conceituais produzidos deverão ser salvos como arquivo de imagem seguindo o seguinte passo-a-passo:
1. Ao finalizar o mapa conceitual deve-se apertar o botão Print Screen do teclado (este comando copia a tela do computador - PrtSr);
2. Abrir um programa de criação de desenhos como o Paint, no Windows, e colar a imagem através do comando "Ctrl+v";
3. Apagar as bordas e deixar apenas a parte de interesse da imagem, que é o mapa conceitual.Se necessário, diminuir a área da figura ao redor do mapa conceitual;
4. Salvar o arquivo em formato PNG ou JPG no desktop ou memória pendrive;
5. Se possível, enviar a imagem via email para os integrantes do grupo.
Os mapas deverão ser publicados em um álbum na rede social da turma no momento oportuno.
Após o momento reservado a pesquisa e produção dos mapas, os alunos irão conversar sobre a transferência de calor apresentando para os amigos suas anotações. Eles irão compartilhar fatos que acharam interessantes, já sabiam ou que aprenderam durante a pesquisa. Se um aluno já conhecia o fenômeno, indague como ele ficou sabendo. Este assunto é bem intuitivo pois retrata algo que faz parte do cotidiano dos discentes! Neste momento deverão ser utilizados os termos científicos inseridos neste contexto para que os discentes se apropriem deles.O professor participará esclarecendo as dúvidas e corrigindo os alunos, caso citem conceitos físicos aplicados de maneira inadequada.
Seguindo este momento de discussão, considere junto com os alunos as hipóteses que foram registradas no início da atividade na lousa. Elas estão corretas? Se não estão, converse rapidamente com os alunos onde está a falha na teoria apresentada.
1.3 Trocando ideias no Facebook
O professor deverá postar na rede social a imagem da figura 3 que resume a três formas de transferência de calor abordadas na atividade e colocar a seguinte sentença: "O que representa esta imagem para você? Compartilhe sua opinião!".
Figura 3: Imagem para ser publicada no Facebook da turma.
Fonte: http://www.brasilescola.com/fisica/processo-propagacao-calor.htm(modificada pelo autor).
Enquanto isto, o docente solicitará que as equipes pesquisem, se informem e compartilhem na rede social exemplos da aplicação da transferência de calor no dia-a-dia. Por exemplo, a geladeira. Poderão ser levantadas as seguintes questões:
- E se o congelador fosse instalado na parte de baixo da geladeira?
- E se as prateleiras fossem placas de plástico?
Por fim, os grupos deverão publicar os mapas conceituais produzidos na atividade. Peça que os colegas observem os mapas dos outros grupos e comente: Existe algum conceito que seu grupo não adicionou, mas, que ao ver o mapa dos colegas, você acredita que é importante?
Para esta discussão utilizando a rede social será dado um prazo de três dias.
ATIVIDADE 2: Mudança de fase – Como essa transição acontece?
Para o desenvolvimento desta atividade serão necessários os materiais para a realização do experimento, assim como um ambiente apropriado para que este ocorra, computadores com acesso a internet, câmeras digitais ou celulares com câmera, caderno e lápis ou caneta para anotações. O professor deverá dividir a turma em grupos de acordo com o material disponível e tamanho do ambiente (preferencialmente com mesas ou bancadas).O professor deverá conversar com os alunos sobre medidas de segurança durante o experimento devido ao uso de fogo.
O docente deverá iniciar a atividade exibindo para os alunos o vídeo Laboratório de Fátima: experiência transforma gelo seco em neblina, disponível para acesso no link http://tvg.globo.com/programas/encontro-com-fatima-bernardes/O-Programa/noticia/2012/06/laboratorio-da-fatima-experiencia-transforma-gelo-seco-em-neblina.html.
O docente deverá conversar com a turma sobre os fenômenos observados no vídeo.
É importante que os alunos no decorrer desta atividade entendam o que ocorre microscopicamente na transição de um estado para outro. Por isso, deverá ser indagado aos alunos se eles sabem a diferença entre os estados sólido, líquido e gasoso a nível atômico, e ainda, se eles lembram o que significa "energia térmica" (vibração das moléculas do material).
2.2 Em busca do conhecimento: Embasamento teórico para o experimento prático
Os alunos farão uma visita aos seguintes sites:
http://www.brasilescola.com/fisica/mudanca-fase.htm
http://www.infoescola.com/fisico-quimica/mudancas-de-estado-fisico/
Poderá ser seguido o mesmo procedimento de anotações e discussão da seção 1.2.
2.3 Mão na massa: A mudança de estado da naftalina
A visualização, OU não, do vídeo Mudanças de estado físico pelos alunos será uma escolha do docente. Entretanto, o professor deverá assisti-lo para ajudar na preparação do ambiente e listagem do material necessário. Uma cena do recurso, disponível no link http://www.pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=440&MUDANCAS+DE+ESTADO+FISICO#top, é mostrada na figura 4.
Figura 4: Cena do vídeo Mudanças de estado físico.
Fonte: http://www.pontociencia.org.br/experimentos-interna.php?experimento=440&MUDANCAS+DE+ESTADO+FISICO#top.
O professor solicitará que as equipes registrem o experimento através de fotografias ou pequenos vídeos que deverão ser publicados no Facebook.
2.4 Compartilhando no Facebook
Serão lançadas duas tarefas para serem realizas na rede social. São elas:
1- Mudança de estado de materiais interessantes:
As equipes deverão pesquisar o comportamento interessante/estranho de algum material em relação à mudança de estado e compartilhar com os colegas. Para isto, poderão criar imagens ou indicar sites para que o restante da turma visite.
2- Explicando o experimento prático:
Os integrantes do grupo deverão preparar um vídeo explicando a mudança de estado da naftalina e, a este vídeo, adicionar as imagens feitas durante o experimento.
Para a preparação das equipes será dado um prazo de uma semana. Após este prazo, as tarefas deverão ser publicadas e os comentários/curtições dos colegas de turma deverão começar.
ATIVIDADE 3: Ué?! Durante a mudança de fase a temperatura estabiliza?!
Nesta atividade serão utilizados computadores com o objeto educacional disponibilizado, o material para a realização do experimento Mudança de fase, câmeras digitais ou celulares com câmera, caderno e lápis ou caneta para anotações. O professor deverá conversar com os alunos sobre medidas de segurança durante o experimento devido ao uso de fogo e água fervente.
ORIENTAÇÕES QUANTO AO USO DO SOFTWARE:
1 - Calorimetria – Calor latente, que tem a interface mostrada na figura 5, é um laboratório virtual que permite encontrar através de simulações o calor latente de fusão de materiais como chumbo, prata e água. O objeto educacional, que também traz material teórico e um mapa interativo está disponível para download no Banco Internacional de objetos educacionais no endereço http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/19177.
Calorimetria – Calor latente
Figura 5: Interface do objeto educacional Calorimetria – Calor latente.
Fonte: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/19177.
2 - Mudança de fase é um experimento prático que possibilita ao aluno visualizar as mudanças de fase da água: do estado sólido para o líquido e depois para o vapor d'água e construir um gráfico temperatura versus tempo a partir dos dados experimentais, podendo ser observado os intervalos no estado de fusão e ebulição em que a temperatura permanece constante. O procedimento em PDF encontra-se no site http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/7927.
Esta atividade será dividida em dois momentos:
Será realizado o experimento Mudança de fase. Solicite que os alunos registrem o experimento com a câmera digital da mesma forma que foram orientados na atividade 2.
O professor deverá fazer uma breve explanação de como o experimento acontecerá e estar atento as dúvidas dos alunos que irão surgir durante o procedimento. Se julgar necessário, o professor deverá solicitar a equipe que refaça o as medidas.
Utilização do objeto educacional Calorimetria – Calor latente.
Neste momento os discentes buscaram desenvolver a atividade proposta.
Os alunos deverão compartilhar seus resultados e observações. O docente deverá estar atento se o conceito de calor latente está claro para os alunos. Sugere-se que o professor gere uma discussão levantando a seguinte pergunta: Por que a temperatura da substância permanece constante durante a transição de fase?
O professor formalizará o assunto da aula fazendo o seguinte experimento mental com os alunos:
Prepare um tubo longo enchendo-o de água e colocando em um freezer. Quando toda a água tiver virado gelo:
a. Aplique fogo no fundo do tubo. O que acontecerá?
(Todo o gelo irá derreter e então ferver)
b. Aplique o fogo no topo do tubo. O que acontecerá?
(O topo do gelo derreterá e então ferverá, mas o fundo do tubo permanecerá congelado)
Os discentes conseguem perceber o que ocorrerá em cada caso? (o resultado de cada situação está acima em itálico). Chegado as respostas corretas, junto com os alunos, utilize os conceito abordados na aula de transferência de calor e mudança de estado para justificar o ocorrido em cada caso.
Solicite que os discentes compartilhem na rede social suas impressões sobre esta atividade.
Calorimetria – Calor latente Animação/simulação
http://g1.globo.com/Noticias/Tecnologia/0,,MUL1313595-6174,00-ENTENDA+COMO+FUNCIONA+O+FACEBOOK.html (Sugestão do Portal do Professor).
Como fazer vídeos:
http://portaldoprofessor.mec.gov.br/conteudoJornal.html?idConteudo=387
Criar conta Facebook
http://www.criarblogs.net/criar-conta-facebook/
Tutorial: Facebook criar conta
http://www.youtube.com/watch?v=Zw7XHn0906E
http://g1.globo.com/Noticias/Tecnologia/0,,MUL1313595-6174,00-ENTENDA+COMO+FUNCIONA+O+FACEBOOK.html
http://revistaescola.abril.com.br/gestao-escolar/redes-sociais-ajudam-interacao-professores-alunos-645267.shtml (Sugestão do Portal do Professor).
"Mapas conceituais como ferramentas de aprendizagem"
http://educador.brasilescola.com/trabalho-docente/mapas.htm
"Aplicação de mapas conceituais em sala de aula"
http://www.microsoft.com/brasil/educacao/parceiro/mapa_conceitual.mspx
OCE 3008 Convection Current (Corrente de convecção - experimento)
http://www.youtube.com/watch?v=IpnHAj4R-Z8
Observação: TODOS OS SITES DESTA AULA FORAM ACESSADOS EM 29/01/2013.
Na atividade 1, o docente deverá averiguar se os alunos entenderam as três formas de transferência de calor: condução, convecção e radiação, observando a relevância dos comentários no momento de discussão e das produções dos discentes na rede social, como os mapas conceituais. Na atividade 2, deverá ser verificado se os alunos assimilaram o modo como ocorrem as mudanças de fase dos materiais, de maneira especial explicando o fenômeno a nível molecular, avaliando as conclusões apresentadas pelos alunos na discussão do experimento prático e no vídeo produzido. Na atividade 3, o professor deverá considerar se o conceito de calor latente foi compreendido pela turma analisando a segurança com que os alunos explicam a experiência de mudança de fase da água e encontram os calores latentes nas simulações realizadas com o objeto educacional.