Atividade 3: Expansão Térmica de um Gás

Ao planejar e desenvolver a atividade intitulada “Expansão Térmica de um Gás” (disponível no Apêndice C, e no Produto Educacional que acompanha essa dissertação), nossos objetivos foram:

a) Familiarização com o ambiente do laboratório; b) Familiarização com a interface de aquisição de dados; c) Introdução ao processo de medição de temperatura; d) Introduzir a noção de que um gás pode realizar trabalho;

e) Estabelecer uma relação entre a temperatura (T) de um gás e o seu volume (V), sob pressão constante.

Para realizar a atividade são necessários os seguintes materiais: a) Dois béqueres de 1000 ml;

b) Um erlenmeyer de 50 ml; c) Uma seringa de vidro de 10 ml; d) Um ebulidor;

e) 30 cm de mangueira de silicone; f) Um suporte universal;

g) Uma pinça com mufa para condensador; h) Um Sensor de temperatura;

i) Uma Interface (placa Arduino); j) Um Computador.

Essa atividade seria a segunda realizada no laboratório de ciências (a primeira havia sido a atividade piloto) e a primeira que utilizaria os artefatos para medição de temperatura e visualização no computador, por isso foi importante incluir alguns passos que permitissem aos estudantes se familiarizarem com os instrumentos e sensores. As questões um e dois foram elaboradas para esse fim. Assim como o roteiro utilizado para a simulação, este sofreu alterações, algumas delas após a aplicação em sala de aula. Reproduzimos na Figura 11 as duas primeiras questões da atividade. A Figura 12 mostra a tela do aplicativo desenvolvido para visualização das medidas e utilizado nesta atividade.

Figura 11 – Atividade 3: questões 1 e 2

Fonte: Elaborado pelos autores.

Figura 12 – Tela do aplicativo desenvolvido para visualização das medidas de temperatura

Fonte: Elaborado pelos autores.

Uma vez que os estudantes tenham identificado o sensor de temperatura, verificado o seu funcionamento e localizado na tela do computador os indicadores das medidas, a questão três propõe que eles pensem e discutam sobre o ar que está dentro do sistema erlenmeyer e seringa. A Figura 13 mostra a questão três e seus subitens.

Questão 1) Qual o valor da temperatura do ar?

Questão 2) Colocando o sensor de temperatura na água qual o valor medido? Dica: o sensor leva um tempo para “estabilizar” na temperatura correta. Portanto, é necessário esperar até que o valor indicado fique constante.

Figura 13 – Atividade 3: questão 3

Fonte: Elaborado pelos autores.

Na questão quatro eles deveriam verificar o que de fato acontece com o sistema. Iniciamos provocando os alunos a identificarem o ar no interior do erlenmeyer como foco de atenção. Mesmo aqueles que dão resposta negativa à primeira questão, são levados a pensar no comportamento do ar aquecido para fazer suas previsões. Neste roteiro, o comportamento inesperado do sistema é o movimento de expansão do gás (ar) que está dentro do erlenmeyer e que, ao se expandir, desloca para cima o êmbolo da seringa de vidro. Na Figura 14 reproduzimos o enunciado da questão quatro e seus subitens.

Figura 14 – Atividade 3: questão 4

Fonte: Elaborado pelos autores.

As questões cinco e seis foram planejadas para que os estudantes pudessem pensar e refletir sobre o processo inverso ao que eles haviam analisado na questão anterior, ou seja, se o volume do gás aumentou ao ser aquecido, será que ao retorná-lo para a temperatura ambiente o seu volume voltará ao valor inicial? A Figura 15 mostra o enunciado das questões cinco e seis.

Questão 3) Antes de fazer o experimento, responda as questões: a) Existe ar dentro do erlenmeyer?

b) O que você acha que acontecerá com o sistema erlenmeyer + seringa se colocarmos o erlenmeyer na água que foi aquecida?

c) Ao ser aquecido, o que acontece com o ar que está no erlenmeyer? d) O que você acha que acontecerá na seringa?

Procedimento 1) Coloque o erlenmeyer dentro do béquer com água aquecida e observe o

comportamento do sistema.

Questão 4) Depois de fazer o procedimento 1, responda: a) O que você observou?

b) Qual sua explicação para o que aconteceu? c) O que acontece com a pressão do sistema?

Figura 15 – Atividade 3: questão 5 e 6

Fonte: Elaborado pelos autores.

Por fim, na questão sete gostaríamos que os estudantes formulassem perguntas sobre o assunto estudado. Entendemos que a elaboração de perguntas pertinentes e coerentes sobre o tema visto na atividade poderia ser um indício de interesse e curiosidade sobre o assunto. Reproduzimos na Figura 16 a questão sete.

Figura 16 – Atividade 3: questão 7

Fonte: Elaborado pelos autores.

Ao planejarmos essa atividade, pensamos que 40 minutos seriam suficientes para sua realização. Contudo, tratava-se apenas de uma estimativa inicial e avaliamos durante a aplicação da atividade se esse tempo foi adequado.

Neste trabalho, não iremos apresentar os dados e resultados das atividades seguintes (Atividades 4 e 5, denominadas respectivamente “Termômetro de Gás” e “Máquinas Térmicas”). Os roteiros estão disponíveis nos Apêndices D e E, e no Produto Educacional associado a esta dissertação. Na atividade 4, utilizamos o mesmo equipamento da atividade 3 para fazer medidas de temperatura e volume ocupados pelo gás e, a partir delas, elaborar um gráfico temperatura x volume. Desse modo, foi possível utilizar o equipamento como um termômetro, ou seja, utilizá-lo para inferir o valor de temperatura do gás a partir do volume

Questão 7) Ao final desta atividade quais perguntas você gostaria de fazer para o seu professor? Quais dúvidas você tem e gostaria de discutir com o professor?

Questão 5) O que você acha que acontecerá se colocarmos o erlenmeyer em um béquer com água que não foi aquecida? Explique o seu raciocínio.

Procedimento 2) Coloque o erlenmeyer no béquer com água que não foi aquecida e observe a

seringa.

Questão 6) Após fazer o procedimento 2, responda: a) O que você observou?

por ele ocupado. Na atividade 5, a montagem foi ligeiramente alterada. Em primeiro lugar, foi incluído um sensor de pressão entre a seringa e o erlenmeyer; além disso, sobre o êmbolo da seringa foi colocado um peso, de modo a evidenciar a realização de trabalho que acompanha a expansão do gás a pressão constante. O foco, neste caso, foi o de interpretar a conversão de parte da energia térmica cedida ao gás em trabalho mecânico e as implicações disso para o funcionamento de máquinas térmicas.

CAPÍTULO 4 - RESULTADOS: DESENVOLVIMENTO DAS ATIVIDADES EM SALA