Uma revisão sobre Termodinâmica

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II Jornada de Debates sobre Ensino de Ciências e Educação Matemática I Encontro Nacional de Distúrbios de Aprendizagem na Perspectiva Multidisciplinar

“Recursos Didáticos e Tecnologias de Ensino”

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Uma revisão sobre Termodinâmica

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A review of Thermodynamics

_____________________________________ JADIANE OLIVEIRA DE ANDRADE2

FÁBIO JOSÉ DOS SANTOS SOUZA 3

MARCOS PAULO ALBUQUERQUE FONTES MENEZES 4

CELSO JOSÉ VIANA-BARBOSA5 TIAGO NERY RIBEIRO6 Resumo

Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre os conteúdos de termodinâmica e termologia abordados nos níveis de ensino médio e superior. Encontramos 65 artigos sobre o tema, destes eliminamos 25, restando 40 artigos a respeito de concepções alternativas, formação docente, história da termodinâmica e erros conceituais presentes em livros didáticos, contextualização e estratégias de ensino. Esses autores apresentam o uso de atividades especiais para favorecer a aprendizagem dos conceitos científicos de termodinâmica, levando em consideração as concepções prévias dos alunos, desenvolvimento dos conceitos de calor e temperatura partindo do desenvolvimento das máquinas térmicas e da revolução industrial.

Palavras-chave: Termodinâmica; Concepções Alternativas; Termologia.

Abstract

This paper presents a literature review on the contents of thermodynamics and thermology addressed in the levels of secondary and higher education. We found 65 articles on the subject, these 25 eliminated, leaving 40 articles on alternative conceptions, teacher training, history of thermodynamics and conceptual errors found in textbooks, teaching strategies, and contextualization. These authors present the use of special activities to promote the learning of scientific concepts of thermodynamics, taking into account students' prior knowledge, develop concepts of heat and temperature based on the development of thermal machines and the industrial revolution.

Keywords: Thermodynamics; Alternative Conceptions; thermology.

1.Introdução

1_{Apoio: Capes}

2_{Universidade Federal de Sergipe}_–_{jadiane.moita@gmail.com} 3_{Universidade Federal de Sergipe}_–_{fabiojssf@gmail.com}

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II Jornada de Debates de Ensino de Ciências e Educação Matemática.

A compreensão da termodinâmica está intimamente relacionada com seu momento histórico. Segundo Pinho e Andrade (2002), a mudança no modo de produção, passando do modo de produção feudal para o modo de produção capitalista, causou uma mudança na dinâmica da sociedade impulsionada pelas transformações nos meios de produção devido à revolução científica. Esse fato causou a revolução industrial caracterizada pela produção em massa e incentivo ao consumo do que era produzido (consumismo).

O aproveitamento do trabalho mecânico pelo desenvolvimento da máquina a vapor e a busca pela melhor eficiência da mesma impulsionou o desenvolvimento científico e consequentemente a adoção de um modelo mais completo sobre o calor. Para que isso ocorresse, houve a quebra de paradigma no pensamento científico no que diz respeito à evolução da teoria do calórico para a teoria de partículas.

[...] fazem perceber o calor em nós, matérias que nós chamamos com o nome geral de fogo, sejam uma multidão de pouquíssimos corpos, com determinadas figuras [...]. Esses pequenos corpos encontram nosso corpo e o penetram com a sua maior sutileza, e o contato deles, realizado na passagem através de nossa substância é percebido por nós, resulta naquilo que nós chamamos de calor. (GALILEU, 1987, p.121 apud RAFAEL, 2007 p. 29)

Antigamente se pensava que o fato de os corpos aumentarem ou diminuírem a temperatura estava associado à presença ou ausência de uma determinada substância química e fluída (líquida como a água, mas com propriedades de preenchimento dos corpos ou de se “esconder” neles) que foi chamada de calórico. Essa substância presente em grande quantidade em algum corpo teria uma alta temperatura, caso contrário apresentaria uma baixa temperatura. Essa teoria explicava vários fatos observados na natureza, como a condução térmica e a dilatação térmica dos corpos, mas como toda substância constituída por matéria, o calórico deveria possuir massa, fato não observado em experiências realizadas.

Outro fato não explicado por essa teoria era a conservação da quantidade de massa, pois experiências realizadas mostravam que havia o aumento da temperatura em dois corpos quando atritados em um sistema isolado, ocorrendo, segundo essa teoria, o aumento da substância calórico nesses corpos, fazendo assim um “surgimento” dessa substância fluída.

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modelo de partícula afirmando que o calor era na verdade o movimento de vibração das mesmas.

Os cientistas estão divididos quanto à natureza do calor: uns pensam que se trata de um fluido que penetra mais ou menos no corpo conforme a sua temperatura e a sua disposição para o reter; (...) outros pensam que o calor não é mais que o resultado dos movimentos das moléculas da matéria. (PINHO e ANDRADE, 2002, p. 148).

O acontecimento que colocou em decadência a teoria do calórico foi realizado pelo Conde de Rumford, em resumo, quando perfurando canhões percebeu que o aumento da temperatura não poderia ser explicado por uma substância fluída, mas sim pelo movimento das brocas que eram usadas para perfurar o canhão, afirmando, posteriormente, que o aumento da temperatura era devido unicamente ao movimento. Essa hipótese favoreceu a teoria atomicista ou de partícula da matéria.

Devido a teoria do calórico ser uma teoria muito próxima do senso cotidiano, é comum encontrar alunos no ensino médio que possuem concepções que convergem para essa teoria. Professores desconhecidos desses fatos ou despreparados conceitualmente podem reforçar essas concepções criando uma barreira epistemológica nos alunos, dificultando a aprendizagem do modelo atualmente aceito.

A mente humana é vista como uma tábula rasa, onde somente recebe conhecimento. Entretanto, sabemos que o alunado traz consigo uma bagagem cognitiva diferente da linguagem científica. A importância para o ensino da ciência através das concepções alternativas possibilita a elaboração de novas estratégias para o professor visando facilitar a compreensão do conteúdo.

“Se eu tivesse que reduzir toda a Psicologia da Educação a um único princípio, eu formularia este: de todos os fatores que influenciam a aprendizagem, o mais importante consiste no que o aluno já sabe. Investigue e ensine-se ao aluno de uma forma consequente” (AUSUBEL 1968, apud Souza 2006, p. 03).

O autor se refere aos conhecimentos prévios, trazidos pelos alunos antes mesmo de entrar na escola, partindo desse ponto o professor poderá averiguar e ensinar em conjunto com essas ideias prévias, conhecidas como subsunçores.

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2.Metodologia

A preocupação com o ensino de física e mais especificamente com a termodinâmica, é mostrada em trabalhos publicados em periódicos/revistas, artigos, dissertações e teses de doutorado de ensino de ciências e física.

Realizamos uma revisão bibliográfica sobre o ensino de termodinâmica no ensino médio e superior com o objetivo de observar as tendências de pesquisa para auxílio e orientação nas atividades a serem desenvolvidas pelo PIBID/Física do Campus de Itabaiana.

A revisão bibliográfica foi realizada em banco de teses e revistas em ensino de Física e ciências citadas a seguir: Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Ciência e Educação,

Experiências em Ensino de Ciências, Física na Escola, Investigações em Ensino de

Ciências, Revista Brasileira de Ensino de Física, Revista Electrónica de Enseñanza de

las Ciencias, Ensaio- Pesquisa em Educação em Ciências, biblioteca digital.

A busca foi realizada nos sistemas de busca dessas fontes utilizando como palavras-chave termodinâmica, termodinâmica no ensino médio, calor e temperatura, calor, temperatura, ensino de termodinâmica.

Como muitas desses trabalhos tratavam de questões foco e métodos de análise muitos próximos, separamos em categorias e resumimos as principais ideias dessas pesquisas com o resultado obtido pelos autores e valores obtidos.

3.Resultados: análise do material encontrado

As pesquisas do levantamento bibliográfico realizado foram separadas em categorias devido ao(s) objetivo(s) proposto para cada artigo. Da amostra consultada no levantamento, total de 65 artigos, selecionamos pela relevância de proximidade com o conteúdo de termodinâmica somente 40 observando que 18 focavam em metodologias/estratégias de ensino, 17 em concepções alternativas dos aluno/professores, 02 sobre a importância da história e filosofia da ciência no ensino, 02 sobre Ciência Tecnologia e Sociedade, 01 em contextualização e 01 no modo como esse tema é tratado nos livros didáticos.

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II Jornada de Debates de Ensino de Ciências e Educação Matemática. III.1- Concepções alternativas

Nos trabalhos de Silva et at (2008), Rafael (2007), Costa e Cunha (2011), Carvalho Junior (2005), Krummenauer, (2010), Boss et al (2009), Costa e Hülsendeger (2004), Köhnlein e Peduzzi (2002), Hülsendeger, Costa e Cury (2006), Silva (2009), Covolan (2004), Cafagne (1991), Silva e Tagliati (2005), Alomá e Malaver (2007), Marques e Araujo (2010), Cavalan e Silva (2005), Castro e Ferracioli (2002) foram utilizados métodos de análises como questionários, textos escritos pelos estudantes e mapas conceituais com o objetivo de analisar concepções alternativas de estudantes/professores sobre os conceitos de termodinâmica. Esses autores evidenciaram concepções alternativas e constatou-se que as mesmas se devem a erros conceituais em materiais didáticos, dificuldade no entendimento e diferenciação dos conceitos de calor e temperatura como responsáveis pela dificuldade de aprendizagem de termodinâmica.

Abaixo segue alguns pontos importantes encontrados no trabalho de cada autor sobre as concepções alternativas dos alunos ligados a conceitos de calor, temperatura, termodinâmica.

Rafael (2007)

Com o objetivo de conhecer as concepções dos alunos em relação aos conceitos de calor e de temperatura aplicou um questionário e concluiu que os alunos tinham concepções erradas sobre o conceito de calor. Poucos alunos responderam o calor como uma forma de energia que se transmite de um corpo para outro. Outros pontos identificados dessa pesquisa com relação às concepções alternativas apresentadas pelos alunos foram: calor como sendo uma substância; o calor como algo dependente da temperatura; o calor existe apenas nos corpos quentes; temperatura como característica do material; ausência da noção de equilíbrio térmico. Como a investigação dessas concepções teve como objetivo elaborar e aplicar uma estratégia de ensino, que foi constituída por uma sequência de atividades que envolvem História da Ciência e experimentos. Utilizando também textos sobre o desenvolvimento da Termodinâmica, desde o desenvolvimento das primeiras máquinas térmicas, passando pela Revolução Industrial e a evolução dos conceitos de calor e de temperatura.

Djalma (2009)

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pesquisa, obteve concepções sobre a questão dos fenômenos irreversíveis, com a finalidade de levantar as ideias que pudessem ser consideradas como próximas ao conceito científico e as barreiras conceituais que dificultam a aprendizagem desses fenômenos. Para a análise a autora criou categorias tomando como foco o conteúdo argumentativo presente nas respostas e que levassem a identificar presenças de conceitos significativos ou não. Essas categorias estão listadas a baixo.

A: incluíam componentes aceitáveis cientificamente (inclusive aquelas que possuem elos com o contexto histórico).

B: continham ideias alternativas afastadas das cientificamente aceitáveis.

C: revelavam percepções que se distanciavam do núcleo das questões e de baixo nível de consistência.

D: indecodificáveis ou estavam em branco.

Um ponto a destacar é que o levantamento das concepções espontâneas feito neste trabalho foi realizado com alunos que já tinham estudado o conteúdo da Termodinâmica.

Boss et al (2009)

Teve como objetivo apresentar um formato de aula de Física a partir de um minicurso. Para a realização do minicurso foram feitos três experimentos realizados:

1°) medida de temperatura pelo tato no qual o experimento era o das três bacias (Carvalho, 1999)

2°) condução de calor

3°) convecção

Após a realização dos experimentos, foi solicitado aos alunos que desenvolvessem um texto relatando sua avaliação do curso como um todo: tiveram alguns resultados como textos continham erros: “… passagem de calor…” (calor como substância); “… propagação de temperatura…” (confusão entre calor e temperatura); “… temperatura são médias de calor…” (confusão de conceitos).

CarvalhoJunior (2005)

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Foram constatadas algumas concepções alternativas tais como “calor é sinônimo de temperatura alta”, “temperatura é a quantidade de calor de um corpo” ou “calor é, necessariamente, algo quente”, “temperatura” relacionada às condições climáticas, “calor” relacionado à energia contida em um corpo, múltiplos conceitos de calor. Após essas observações foi realizada uma sequência de atividades de ensino utilizado diversos textos, questões problemas, questões dissertativas, relatórios. No final foi aplicado outro questionário, no qual se pode observar que os alunos estavam compreendendo os conceitos trabalhando anteriormente. Além de uma entrevista com questões sobre o conteúdo.

Castro e Ferracioli (2002)

Com o objetivo de investigar o entendimento de professores de Ensino Médio em relação à Segunda Lei da Termodinâmica aplicou um questionário com questões discursivas aos professores observaram que os professores possuem concepções em relação à segunda Lei da termodinâmica. Resultados tais como: alguns professores citaram o princípio da Segunda Lei em termos de fluxos de calor, outros em termo de Equilíbrio Térmico e outros fizeram uso das ideias do próprio enunciado para responder a questão. Confusão entre a Segunda lei, com a Primeira Lei, com princípios de Calorimetria ou ainda a equação de estado de um gás natural (PV= nRT). Em relação à Segunda Lei da Termodinâmica, apresentavam desconhecimento da mesma.

Alomá e Malaver (2007)

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cinética, geotérmica, interna, potencial, rotação translacional, etc. Em alguns textos os termos de energia aparecem ligados à primeira lei da termodinâmica e ao princípio da conservação da energia, mas continua sem definição. A definição de trabalho ambígua. Apresenta alguns conceitos muito contraditórios de calor e trabalho, assim retornando para a concepção de que calor e trabalho são formas de energia.

Costa e Cunha (2011)

Através da aplicação de um questionário procuraram analisar quais as concepções que os estudantes possuíam sobre o tema calor e temperatura. Constataram que a maioria dos alunos acredita que todos os corpos possuem calor sendo outro fato que uma pequena parte dos alunos relaciona o calor apenas os corpos “quentes”. Associaram a temperatura do corpo a sua massa, associaram que não havia transferência de calor entre os corpos por causa da temperatura, ou seja, para corpos “frios” não possuiriam calor.

Cavalan e Silva (2005)

Com o objetivo de analisar a evolução de alunos do nível médio quanto ao conceito de entropia, realizaram um questionário no qual, através de uma análise em categorias, observaram que os alunos não fazem distinção clara entre esses dois conceitos; calor (e por vezes também o frio) é expresso em função da teoria do calórico assim como se acreditava até o final do século XVIII. Questão do sentido dos processos espontâneos, bem como a irreversibilidade dos mesmos, geraram dúvidas e confusões. Não distinguem fenômenos de reversão daqueles totalmente irreversíveis. Constataram que algumas respostas encontradas no pós-teste ainda possuem concepções alternativas. Embora as respostas mostrassem um grau melhor não eram ainda argumentos corretos. Finalizaram sustentando a ideia da dificuldade de se ensinar conceitos de termodinâmica.

Marques e Araujo (2010)

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II Jornada de Debates de Ensino de Ciências e Educação Matemática. Krummenauer (2010)

Com objetivo de verificar os conhecimentos prévios dos alunos, os mesmos foram questionados com questões relacionadas à dilatação térmica e dimensões dos objetos ao sofrerem uma variação de temperatura. Constataram uma concepção alternativa na qual os alunos acreditam que todo o corpo independente das dimensões inicial e do material que o constituem, dilatam-se da mesma maneira. Ele utilizou como proposta de ensino o uso de mapas conceituais, essa estratégia faz com que aluno questione e reflita tornando-se uma facilitadora para uma aprendizagem significativa.

Köhnlein e Peduzzi (2002)

Aplicaram um questionário onde mostrou como resultado concepções sobre calor, temperatura e energia interna. Os alunos conseguiram por fim compreender o conceito de calor devido ao fato do mesmo ter sido explorado em muitos textos, exercícios e experimentos. Mas outros conceitos como temperatura e energia interna não obtiveram o mesmo resultado por não ter dado constante destaque ao mesmo. O pensamento de que a temperatura se transfere de um corpo para o outro ainda permaneceu após as estratégias utilizadas. Observaram que levar em conta as concepções prévias dos alunos produz bons resultados

Covolan (2004)

Aplicou um questionário investigativo envolvendo noções de equilíbrio térmico, processos espontâneos e irreversíveis, com o propósito de levantar as concepções alternativas dos alunos. Observaram concepções como: a transferência de energia em forma de calor. A estratégia utilizada para que os alunos mudem essas concepções foi a de introduzir o conceito de energia através dos textos e para os conceitos de calor e temperatura utilizaram um modelo macroscópico para que depois o aluno pudesse fazer a transferência da Termodinâmica para o modelo microscópico.

Silva et at (2008)

Aplicação de um questionário onde obteve resultado como manifestações de concepções alternativas ligadas ao fenômeno de equilíbrio químico. Tais resultados mostram a importância do professor em conhecer as concepções alternativas dos seus alunos e utilizá-las como estratégia para auxiliar no ensino do conteúdo tratado.

Costa e Hülsendeger (2004)

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corpo contém calor” ou “um corpo possui calor”. Elas acreditam que partindo dos conceitos e ideias que os alunos expressam o professor poderá retomar esses conceitos visando melhorar a compressão dos fenômenos.

Hülsendeger, Costa e Cury (2006)

Utilizaram algumas estratégias de ensino, como questões objetivas e dissertativas, onde observaram algumas concepções alternativas como: “Corpos quentes têm mais calor que corpos frios”. “quanto mais massa um corpo tiver, mais calor ele poderá conter. Assim, um corpo grande poderá conter mais energia calorífica e estar a uma temperatura mais baixa que um corpo menor”. “servem para manter o calor que há no nosso corpo”. “calor é a temperatura em transição entre dois corpos”. “o calor é a energia transferida entre dois corpos, isto é, a troca de temperatura”, entre outros. Utilizaram também aulas dialogadas e textos diversos, que auxiliaram a compreender um pouco melhor as ideias sobre os conceitos.

III.2- Metodologias/estratégias de ensino

Nos trabalhos de Boss et al (2009), Silva (1999), Bordogna et at (2001), Júnior (1999), Silveira de Miltão (2010), Ramos e Júnior (2007), Cardenas e Lozano (1997), Marques e Araujo (2009), Sias e Teixeira (2008), Gonçalves, Veit e Silveira (2006), Silveira e Yan (2004), Silva e Souza (2007), Zamorano et at (2011), Monteiro et at (2009), Martínez e Pérez (1997), Silva (2008), Rodrigues e Carvalho (2002), Vieira et at (2011) foram usados metodologias de ensino como minicursos, experimentação, mudança da sequência didática para favorecimento da aprendizagem significativa, discussão de problemas elaborados em sala, mapas conceituais, uso de hipertextos, simulações e animações que se diferenciam do ensino tradicional com o objetivo de melhorar a aprendizagem dos conceitos de termodinâmica. Para alguns autores foram constatadas as mesmas dificuldades de aprendizagem de termodinâmica apesar da inovação no respectivo método de ensino usado. Para outros o respectivo uso do método proporcionou uma maior diferenciação dos conceitos presentes na termodinâmica, maior interesse e participação dos alunos e favorecimento do entendimento de conceitos- chaves para a aprendizagem da termodinâmica.

III.3- A importância da história e filosofia da ciência no ensino

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termodinâmica. Os métodos utilizados nesses trabalhos foram uma pesquisa escrita sobre o surgimento e desenvolvimento da máquina a vapor, leituras e interpretações de textos, resoluções de questões objetivas e dissertativas e uma revisão bibliográfica de outros autores que trabalharam com essa temática. Os resultados apontam para a melhoria dos conceitos abordados na termodinâmica e favorecimento para a preparação e desenvolvimento de aulas para professores. Essas pesquisas têm como finalidade contribuir para a compreensão dos conceitos abordados em Termodinâmica e servir de subsídio para professores.

III.4- Ciência Tecnologia e Sociedade

Rosella (2004) trabalhou os conceitos da termodinâmica partindo de temas geradores como o efeito estufa e a relação que o mesmo provoca no aquecimento global. Essas temáticas foram trabalhadas baseando-se em textos, questionários e experimentos. A autora conclui que esse tipo de trabalho enriquece o processo de ensino aprendizagem de termodinâmica.

III.5- Contextualização

Queiroz e Dickman (2009) discutem a importância de contextualizar o ensino de física por meio de estudos dirigidos e experimentação simples, possibilitando a compreensão de conceitos ligados a de transferência de calor.

III.6- Livros didáticos

Axt e Brückmann (1989) realizaram análises em livros didáticos de ciências a fim de conhecer como é mostrado/definido o conceito de calor. Essa análise foi feita em livros de química e física utilizados por alunos na 8º série. Ao final da pesquisa os autores mostram que o conceito de calor apresentado não atende a linguagem científica, reforçando as concepções alternativas dos alunos acerca desse conceito e consequentemente dificultando a aprendizagem de conceitos termodinâmicos.

4.Considerações finais

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conhecimento prévio dos alunos, propiciando assim um maior entendimento por parte dos mesmos e uma maior aprendizagem significativa. Esse tipo de aprendizagem pode favorecer uma melhor compreensão/localização crítica do modo como vivemos hoje em dia.

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