O funcionamento desse aparelho ocorre de for- ma bem simples. O chuveiro é composto de dois resistores, um fi o espiralado feito de metais que possibilitam um aquecimento rápido e prático, um de alta potência e outro de baixa potência de aquecimento, e um diafragma de borracha. Os resistores fi cam fi xados no interior do chuveiro.
Para selecionar o tipo de banho que se deseja tomar, existe na sua parte exterior uma chave se- letora que é capaz de mudar o tipo de resistência, aumentando ou diminuindo a potência do chuvei- ro e, consequentemente, a temperatura do banho.
A água ao circular pelo chuveiro pressiona o diafragma de borracha, este por sua vez aproxima os contatos da re- sistência aos contatos energizados, situados no cabeçote do aparelho. Assim, a água ao passar pelos terminais do resistor quente se aquece, tornando o banho bem quentinho e agradável. Resistência elétrica é a capacidade de um corpo de se opor à passagem da energia elétrica. O cálculo do mesmo é feito a partir da Lei de Ohm e sua unidade no SI (Sistema Internacional de Unidades) é o ohm (Ω).
Os resistores são feitos de material condutor. Esses materiais, quando percorridos por uma corrente elétrica, se aquecem provocando um fenômeno denominado efeito joule. Esse efeito deve-se aos milhões de choques dos elé- trons contra os átomos do condutor. Em virtude desses choques, a energia cinética do sistema aumenta. O aumento dessa energia se manifesta através do aumento da temperatura do condutor, ou seja, aumento da temperatura da resistência.
Pode-se inferir, portanto, que a utilização da demonstração experimental de um conceito em sala de aula acrescenta ao pensamento do aluno elementos de realidade e de experiência pessoal que podem preencher uma lacuna cog- nitiva característica dos conceitos científi cos e dar a esses conceitos a força que essa vivência dá aos conceitos espontâneos. Em outras palavras, a atividade experimental de demonstração compartilhada por toda classe sob a orientação do professor, em um processo interativo que de certa forma simula a experiência vivencial do aluno fora da sala de aula, enriquece e fortalece conceitos espontâneos associados à essa atividade, talvez até os faça surgir e pode oferecer os mesmos elementos de força e riqueza característicos desses conceitos para a aquisição dos conceitos científi cos que motivaram a apresentação da atividade.
Referências
ALVARENGA, Beatriz; MÁXIMO, Antônio. Física – Volume Único. ed. Scipione: São Paulo: 2010.
HEWITT, Paul G. Física conceitual 9ª ed. Porto Alegre: Bookmann. 2002.
GASPAR, Alberto. Física: Eletromagnetismo, Física Moderna. (volume 3) São Paulo: Ática.
16 Um estudo sobre energia e suas transformações
Claudio Santos1, Luiz Doelinger1, Luiz Pereira1, Magno Caiado1, Thiago Polonine1, Giovani Zanetti Neto2
Introdução
A partir do século XIX, com as transformações advindas das revoluções industriais, intensifi cou-se o uso de energia nas sociedades. A crescente demanda por combustíveis fez surgir a necessidade de estruturar matrizes energéti- cas, e os impactos gerados pelos processos de transformação de energia alteraram o meio ambiente. Nas socieda- des atuais, as discussões sobre a relação entre as matrizes energéticas e as questões ambientais estão presentes em todo planejamento energético.
Entretanto, os conceitos científi cos e tecnológicos envolvidos nos processos de transformação da energia muitas vezes não são conhecidos pelos participantes de uma sociedade, apesar de impactarem diretamente suas vidas. Tal contexto remete à discussão sobre alfabetização cientifi ca e tecnológica utilizada por Auler (2001) que, entre outros aspectos, considera que os avanços científi cos e tecnológicos alteram a dinâmica social e que a democratização desses conhecimentos é fundamental.
Segundo Delizoicov (2009) é fundamental que a atuação docente esteja em sintonia com a produção cientifi ca con- temporânea e com os resultados das pesquisas em ensino de ciências, mas não para formar exclusivamente cientis- tas, mas tendo como meta primeira uma ciência para todos. A partir dessa perspectiva, a abordagem CTS – Ciência, Tecnologia e Sociedade – procura, no pensar de Chrispino, a dimensão social da ciência e da tecnologia ao buscar, através da alfabetização tecnocientífi ca, permitir a compreensão de como os artefatos da Tecnologia impactam a vida de forma geral.
Seguindo a proposta da abordagem CTS, a proposta desse artigo reside na percepção, enquanto docente, de que os alunos do Ensino Médio, de modo geral, encontram uma imensa difi culdade em perceber ou analisar conceitos físicos em seu cotidiano. Isso pode ser justifi cado pela falta da estruturação de laboratórios nas escolas, também pelo descaso e desinteresse que envolve uma grande quantidade dos discentes. Dessa forma viemos propor um experimento simples que poderá ser realizado com materiais acessíveis, visando melhorar a compreensão e o interesse do aluno sobre a produção da energia elétrica através de uma usina térmica, suas aplicações e os impactos que podem ser gerados pelo uso da mesma, tais como: aquecimento global, chuva ácida, poluição do ar, dentre outros.
Fundamentação teórica
Sabemos que energia é a capacidade de um sistema em realizar trabalho. No dia-a-dia podemos encontrá-la de várias formas como energia mecânica, térmica, elétrica, química, solar, nuclear etc. Dentro de um sistema, a ener- gia não pode ser criada e tampouco destruída; pode apenas ser transformada e por isso sua quantidade é sempre conservada.
E
0= E
fonde, E0 é a energia inicial e Ef , energia fi nal. Um gerador elétrico, por exemplo, recebe energia mecânica EM e a transforma em energia elétrica EE mais outras formas não desejadas de energia conhecidas como energia dissipada
ED. A energia inicial E0 está na forma mecânica e é a energia total recebida; já a energia fi nal Ef , compõe-se da soma da energia elétrica com a energia dissipada.
E
M= E
E+ E
DO rendimento é um número adimensional dado pela razão entre a energia útil e a energia total.
E
útil= E
totalQuanto maior o rendimento de um equipamento, maior é o aproveitamento da energia total em útil. Um rendimento de 85% indica que 85% de energia total é transformada em útil. A Figura 1 mostra o esquema de uma usina tér- mica que é formada basicamente por uma fornalha, onde ocorre a queima do combustível, e uma caldeira, que recebe parte do calor proveniente da queima, produzindo o vapor para movimentar a turbina onde está acoplada a um gerador elétrico. A partir do gerador, a energia elétrica produzida passa por transformadores, responsáveis por elevar a tensão elétrica, diminuindo as dissipações de energia devido à resistência elétrica no sistema de transmissão. Ao chegar ao destino passará novamente por transformadores que irão baixar a tensão elétrica para ser consumida.
Caldeira n = 0,85
Turbina n = 0,30
Fornalha
Gerador n = 0,96
Transformador
n = 0,98 Torre
Fios
Torre Sistema de transmissão
n = 0,80
Transformador
n = 0,98 Demanda
Casas e Fábricas
Figura 1. Esquema de usina térmica.
Materiais
• uma lata de refrigerante de 350ml cheia e outra vazia;
• 100 cm de arame de aço galvanizado 5/64”;
• uma lata de sardinha vazia;
• tesoura;
• uma base de madeira de 20 x 10 cm;
• furadeira;
• alicate universal;
• álcool em gel;
• fósforos.
Procedimento experimental
Usando 40 cm de arame faça uma volta completa entorno da lata e depois repita a operação com os outros 40 cm. Na base de madeira faça 4 furos para encaixar as 4 pontas do arame fi cando igual ao da Figura 2.
Faça um furo na lata cheia usando um prego ou alfi nete. Figura 3.
Figura 3. Detalhe do furo na lata.
Utilizando a lata vazia e uma tesoura, faça o hélice de acordo com a sequência de fi guras abaixo.
Figura 4. a) Lata vazia. b) Corte das bordas da lata. c) Detalhe da parte do meio da lata. d) Detalhe da parte do meio da lata.
e) Faça um quadrado de 7 x 7 cm. f) Trace diagonais no quadrado.
Figura 5. Sequência de montagem da hélice. a) Marque a distância até 1/3 do centro. b) Corte sobre as linhas diagonais até a marca de 1/3 de distância do centro. c) Dobre formando um cata-vento.
Com um pedaço de arame, faça um suporte para o hélice fi xando o mesmo na base de madeira, o posicionando em frente ao furo da lata por onde sairá o vapor durante o aquecimento, conforme Figura 4. Coloque na lata de sardinha um pouco de álcool em gel, veja na Figura 6.
Figura 6. Detalhe da lata com álcool em gel.
Agora, organize todo o material de acordo com a Figura 6 e acenda tomando os devidos cuidados, afastando qual- quer material infl amável da prática. Não se deve utilizar gasolina ou outro tipo de combustível que não seja o que foi
Figura 2. Perfi l da lata no suporte.
OBS: O espaço entre a lata e a base de madeira deve ser sufi ciente para conter a lata de sardinha veja Figura 6.
Análise da prática experimental
A energia química de nossa usina provém do álcool, que através do processo de combustão é transformada em energia térmica e luminosa.
Parte da energia térmica da queima é transferida para a caldeira (lata) aumentando a temperatura do refrigerante, que iniciará o processo de vaporização aumentando a pressão interna da lata, a qual será aliviada pelo pequeno orifício fornecendo, assim, velocidade ao gás que movi- mentará o hélice (turbina). Parte da energia mecânica da hélice seria transformada em energia elétrica, caso houvesse um gerador.
Não podemos esquecer que dentro de todo esse processo outras formas de energia irão aparecer, sendo estas as dissipadas, confi rmando a conservação de energia. Numa usina real, o combustível usado pode ser o carvão onde o rendimento está abaixo.
(Carvão) (Caldeira) (Turbina) (Gerador)
Energia Química ---> Energia Térmica ---> Energia Mecânica ---> Energia Elétrica
100 % 85% 30% 96%
A tabela abaixo mostra, aproximadamente, a que se reduzem cada 100 unidades de energia térmica existentes inicialmente no carvão, numa boa e efi ciente usina termelétrica da atualidade, operando nas melhores condições.
Tabela 1. Efi ciência das usinas termelétricas.
Rendimentos nas conversões de energia
Local Forma de energia Rendimento por cento Unidades energia convertidas Carvão
Caldeira Turbina Gerador
Sistema de transmissão (até a utilização) Transformadores de subestação Motores grandes (média) Motores pequenos (média) Lâmpadas
Química Térmica Mecânica
Elétrica Elétrica Elétrica Mecânica Mecânica Luminosa
– 85 30 96 80 98 85 65 3,5
100,0 85,0 25,5 24,5 19,6 19,2 16,3 12,5 0,67
Considerações fi nais
Através dessa prática, demonstramos o funcionamento de uma usina térmica utilizando materiais de baixo custo, e mostrando todo o tipo de transformação de energia que está envolvida no sistema numa linguagem clara e simples.
Com este experimento, o aluno perceberá uma das formas de geração de energia elétrica bem como a sua relevân- cia no seu contexto social, e também poderá utilizar as informações adquiridas para a montagem de questionários, textos informativos, entre outras aplicações.
Assim sendo, esta prática experimental se apoia nos seguintes Objetivos Gerais e Específi cos.