Elaboração e aplicação de uma estratégia de ensino sobre os conceitos de calor e de temperatura

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE CIÊNCIAS NATURAIS E MATEMÁTICA. ELABORAÇÃO E APLICAÇÃO DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO SOBRE OS CONCEITOS DE CALOR E TEMPERATURA. FRANCISCO JOSÉLIO RAFAEL ANDRÉ FERRER P. MARTINS (Orientador). Dissertação de Mestrado Apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática e a Universidade Federal do Rio Grande do Norte.. Natal/ 2007..

(2) FRANCISCO JOSÉLIO RAFAEL. ELABORAÇÃO E APLICAÇÃO DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO SOBRE OS CONCEITOS DE CALOR E DE TEMPERATURA. Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ensino de Ciências Naturais e Matemática pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, sob a orientação do Professor Dr. André Ferrer Pinto Martins.. NATAL/RN ABRIL DE 2007.

(3) Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN/SISBI/Biblioteca Setorial Mestrado do Centro de Ciências Exatas e da Terra – CCET. Rafael, Francisco Josélio. Elaboração e aplicação de uma estratégia de ensino sobre os conceitos de calor e de temperatura/ Francisco Josélio Rafael. – Natal, 2007. 70 f.: il. Orientador: André Ferrer Pinto Martins Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática. 1. Física – Ensino – Dissertação. 2. Ensino de Física – Elaboração e aplicação – Dissertação. 3. Estratégia de ensino – Dissertação. 4. Conceitos de calor e de temperatura – Dissertação. I. Martins, André Ferrer Pinto. II. Título. RN/UF/BSE-CCET. CDU 51:37.

(4) FRANCISCO JOSÉLIO RAFAEL. ELABORAÇÃO E APLICAÇÃO DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO SOBRE OS CONCEITOS DE CALOR E DE TEMPERATURA. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática do Centro de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ensino de Ciências Naturais e Matemática.. Aprovada em: ___/___/______ BANCA EXAMINADORA ____________________________________________________________ Prof. Dr. André Ferrer Pinto Martins – Orientador, Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN _____________________________________________________________ Profª. Dra. Heloísa Flora Brasil Nóbrega Bastos, Examinadora, Universidade Federal Rural de Pernambuco ______________________________________________________________ Prof. Dr. Marcílio Dias Campos, Examinador, Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN ______________________________________________________________ Prof. Dr. Gilvan Borba, Examinador, Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN ______________________________________________________________ Francisco Josélio Rafael, Mestrando, Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN.

(5) AGRADECIMENTOS. Quando chegamos ao final de uma jornada, começamos a pensar sobre todos aqueles que, de alguma forma, nos ajudaram a ultrapassar os obstáculos e a superar as dificuldades. E no meu caso, não há de ser diferente. Com todos eles algo aprendi, todos foram meus mestres. Assim, mais como aluno, agradeço: A minha esposa, Veras, pela paciência e compreensão. À minha família, pelo apoio e compreensão, pois sempre estiveram prontos a ajudar em minha caminhada. Ao meu orientador, professor André Ferrer Pinto Martins, pela paciência, coerência e responsabilidade com que conduziu esse trabalho de pesquisa. Ao professor Francisco Valdomiro de Morais, pelo incentivo e pela confiança que deposita em mim. A todos os professores do mestrado, pelos conhecimentos transmitidos. Aos colegas professores e alunos da 2ª série “E” (2006) do Centro de Educação Integrada Professor Eliseu Viana, pela colaboração e apoio moral. Aos meus amigos da Escola Municipal Sindicalista Antonio Inácio, principalmente a Dona Eudes Maria da Silva Duarte, pela compreensão e ajuda, nos momentos que mais precisei, “um amigo é como se fosse um outro eu”. A Adriana, pelo companheirismo e amizade. A Ricardo Magno dos Anjos, uma das maiores inteligências que conheço..

(6) RESUMO Este trabalho investigou as concepções alternativas apresentadas por alunos do Ensino Médio, em relação aos conceitos de calor e de temperatura, objetivando a elaboração e aplicação de uma estratégia de ensino a partir do diagnóstico levantado das concepções presentes nos estudantes. A estratégia de ensino foi constituída por uma seqüência de atividades que envolvem História da Ciência e experimentos, inseridas num curso que teve como base a proposta do Grupo de Reelaboração do Ensino de Física (GREF). Utilizamos como fio condutor de nosso trabalho de pesquisa 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. A estratégia de ensino foi aplicada a uma turma do segundo ano do ensino médio de uma escola pública da cidade de Mossoró (RN). Procurou-se, com as atividades, tornar os conceitos que fazem parte da Termodinâmica mais significativos para os alunos. Avaliamos que a aplicação da estratégia representou ganhos para os estudantes da turma, em termos do aprendizado das leis e conceitos da Termodinâmica (especificamente dos conceitos de calor e de temperatura), assim como no que se refere à superação de suas concepções iniciais. Palavras-chave: Concepções alternativas. calor e temperatura. Termodinâmica. história da ciência..

(7) ABSTRACT This piece of work has investigated the alternative conceptions shown by students of secondary school, concerned to the concepts of warmth and temperature, aiming the elaboration and application of a learning strategy as of the diagnose risen from the conceptions present in students. The learning strategy was built up by a sequence of activities that involve History of Science and experiments, put in a course that had as a base the proposal of the Group of Redevelopment of Physics Teaching (GREF). We have used as the conductor wire of our research the development of thermo dynamics since the development of the first thermo machines, passing by the Industrial Revolution and the evolution of concepts of warmth and temperature. The learning strategy was applied to a group of second grade of secondary school in a public school in Mossoró (RN). By doing these activities we tried to become the concepts, which are part of thermo dynamics, more meaningful to the students. We have estimated that the application of the strategy has represented some profits to the students of the group, concerning to learning of laws and concepts of thermo dynamics (specifically the concepts of warmth and temperature), as well as what it is referred to the overcoming of its initial conceptions. Key-works: alternative Conceptions, warmth and temperature, thermodynamics, history of science..

(8) SUMÁRIO 1 APRESENTAÇÃO .......................................................................................... 06 2 PRESSUPOSTOS ............................................................................................ 09 2.1 Concepções Alternativas ..................................................................... 09 2.2 História da Ciência e Ensino de Física ................................................. 15 3 HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA ............................................................ 19 3.1 Contexto Histórico – A Revolução Industrial ..................................... 19 3.2 Máquinas Térmicas............................................................................... 22 3.3 Evolução dos Conceitos de Calor e de Temperatura............................ 25 4 METODOLOGIA E RESULTADOS ............................................................. 35 4.1 Questionário Diagnóstico .................................................................... 35 4.2 Estratégia de Ensino ............................................................................ 40 4.3 Avaliação Após Aplicação de Estratégia de Ensino ............................ 55 5 CONCLUSÕES ............................................................................................... 65 REFERÊNCIAS ................................................................................................ 68 APÊNDICES ....................................................................................................... 71 APÊNDICE A - Questionário ..................................................................... 71 APÊNDICE B – Texto: A Revolução Industrial e a Termodinâmica ......... 74.

(9) 6. 1 APRESENTAÇÃO Nosso trabalho de pesquisa foi desenvolvido junto ao Centro de Educação Integrada Professor Eliseu Viana, município de Mossoró, RN, com alunos da 2ª série do Ensino Médio. Trata-se de uma pesquisa de caráter aplicado, voltada à melhoria do ensino de Física no nível médio, mais especificamente do conteúdo de Termodinâmica. O que nos levou a trabalhar esse tema foi a freqüência com que as pessoas utilizam, em seu cotidiano, os conceitos de calor e de temperatura, tendo em vista que a cidade apresenta temperaturas altíssimas o ano inteiro. Leia o que escreve um dos jornais da cidade:. Calor cada vez maior em Mossoró Não precisa ser nenhum especialista para saber que a cidade está mais quente. Do meio-dia às 15h, o Centro praticamente fervilha. Além do período de verão que eleva a temperatura consideravelmente, a onda de calor é um reflexo do aquecimento global. Em Mossoró, a temperatura nesse horário varia entre 34ºC a 36ºC na estação meteorológica da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). Já no Centro da cidade, a temperatura ultrapassa os 40ºC (Janaina Holanda).. No entanto, na maioria das vezes as pessoas utilizam esses conceitos de forma errada, do ponto de vista do conhecimento científico em vigor. Esse conhecimento do senso comum em relação aos conceitos de calor e de temperatura chega à sala de aula, tornando-se muitas vezes obstáculos para que o professor trabalhe a concepção científica vigente em relação a tais conceitos. Portanto, por esses conceitos fazerem parte da cultura da cidade de Mossoró, bem. como. tendo. em. vista. a. importância. do. estudo. da. Termodinâmica. e,. especificamente, o estudo dos conceitos de calor e de temperatura e as dificuldades em se conseguir uma aprendizagem significativa e consistente de tais conteúdos, optamos em trabalhar este tema. Nosso trabalho de pesquisa pretende ser um instrumento facilitador da aprendizagem de tais conceitos. Como ponto de partida de nosso estudo, necessitávamos responder a uma questão:. •. Quais as concepções alternativas apresentadas pelos alunos da Segunda Série “E” do Ensino Médio do Centro de Educação Integrada Professor Eliseu Viana, em relação aos conceitos de calor e de temperatura?.

(10) 7. Para responder a esse questionamento elaboramos e aplicamos um questionário, no âmbito de uma pesquisa diagnóstica. Depois de respondida essa questão, nossa intenção foi a de elaborar e posteriormente aplicar uma estratégia de ensino na respectiva turma, tendo como um dos objetivos tornar mais significativo para os alunos o conhecimento relativo aos conceitos de calor e de temperatura, evitando assim que tais conteúdos tenham significado apenas na escola, durante as aulas, e não na vida. O respectivo trabalho de pesquisa pretende ser um instrumento prático, capaz de lidar com as concepções alternativas dos alunos, objetivando a superação das mesmas através de uma estratégia de ensino, que possibilite aos educandos refletirem sobre as suas concepções acerca dos conceitos de calor e temperatura e construírem novas concepções que estejam de acordo com o modelo científico vigente. Observamos que, a maior parte dos trabalhos na área tem se direcionado para a identificação de concepções alternativas e apresentado apenas sugestões de ordem geral para o ensino. Estes trabalhos têm a sua validade, pois, além de chamarem a atenção para a problemática, fornecem aos professores exemplos concretos de noções alternativas que podem ocorrer entre seus alunos. Por outro lado, a área ressente-se da falta de pesquisas direcionadas especificamente no sentido de como trabalhar essas noções em sala de aula. A estratégia de ensino elaborada teve como princípio fundamental a contextualização do conhecimento físico, inserindo elementos do cotidiano do aluno. Além disso, foram trabalhadas atividades experimentais, bem como atividades que contemplaram aspectos da história da ciência, buscando atender aos princípios defendidos pelos Parâmetros Curriculares Nacionais para o ensino de Física: Espera-se que o ensino, na escola média, contribua para a formação de uma cultura científica efetiva, que permita ao indivíduo a interpretação dos fatos, fenômenos e processos naturais, situando e dimensionando a interação do ser humano com a natureza como parte da própria natureza em transformação (BRASIL, 2002, p. 229).. Enfim, para que todo o processo de conhecimento possa fazer sentido para os alunos, é imprescindível que ele seja instaurado através de um diálogo constante entre alunos e professores. E isso somente será possível se estiverem sendo considerados objetos, coisas e fenômenos que façam parte do universo do aluno, inclusive as suas concepções alternativas. Assim, devem ser contempladas sempre estratégias que contribuam para esse diálogo, de forma a permitir ao aluno construir uma percepção significativa da realidade em que vive. É importante que a estratégia reforce a necessidade de considerar o mundo em que o aluno está inserido, não somente através do reconhecimento de seu cotidiano enquanto objeto de estudo,.

(11) 8. mas também de todas as dimensões culturais, sociais e tecnológicas que podem ser por ele vivenciadas na cidade ou região em que mora. Inicialmente, neste trabalho, abordamos a questão das concepções alternativas e a importância em conhecê-las para que se tenha um ensino efetivo, pois, os alunos chegam à escola já trazendo em sua bagagem cultural, vários conhecimentos físicos que construíram fora. do espaço escolar, e os utilizam na explicação dos fenômenos ou processos que observam em seu dia-a-dia. Muitas vezes, constroem até mesmo modelos explicativos consistentes e diferentes daqueles elaborados pela ciência. Trata-se de um conhecimento essencialmente pragmático, cujo caráter de validade na esfera cotidiana da vida é sua funcionalidade. No entanto, não é possível ignorar toda a bagagem conceitual que o aluno traz ao se deparar com o ensino formal de Física na escola. Em nosso estudo, demos ênfase especialmente às concepções alternativas dos alunos sobre os conceitos de calor e de temperatura, analisando a influência dessas concepções sobre a compreensão dos fenômenos estudados na termodinâmica, procurando reconhecer aquelas mais freqüentes e reincidentes, argumentando que, além de estarem diretamente associadas ao senso comum, exigem do aluno um grau de abstração que nem sempre ele está pronto a oferecer. Em seguida, fizemos um breve relato sobre a História da Ciência e o ensino de Física, defendendo que elementos históricos contribuem para o aprendizado e devem estar presentes na sala de aula. Em função disso, abordamos um pouco da história da Termodinâmica, apontando a importância do seu estudo e fazendo uma descrição das primeiras máquinas térmicas, procurando ressaltar as possíveis relações com os conceitos científicos aceitos no período da Revolução Industrial, bem como, o desenvolvimento dos conceitos de calor e temperatura ao longo da história do conhecimento. Finalmente, passamos à descrição da elaboração, aplicação das atividades e avaliação de nossa estratégia de ensino..

(12) 9. 2 PRESSUPOSTOS 2.1 Concepções alternativas Muitos trabalhos de pesquisa têm demonstrado que os modelos que os indivíduos usam para explicar os fenômenos físicos do cotidiano desenvolvem-se desde a infância, não sendo originados, portanto, exclusivamente de seu aprendizado escolar. Tais idéias não se constituem em simples concepções isoladas, mas são estruturas conceituais elaboradas, que proporcionam ao indivíduo uma compreensão coerente da realidade sob seu ponto de vista. As concepções alternativas (VIENNOT, 1979, Apud SILVA, 1995), também chamadas de erros conceituais, idéias intuitivas, concepções espontâneas, etc., possuem as seguintes características: . São encontradas em um grande número de estudantes, de qualquer nível. de escolaridade; . Cobrem uma vasta gama de conteúdos e têm amplo poder explicativo;. . Diferem, na maior parte das vezes, das idéias expressas através dos. conceitos, leis e teorias que os alunos devem aprender; . São muito difíceis de serem mudadas e resistem ao ensino de conceitos. que conflitam com elas; . Interferem no aprendizado da Física, sendo responsáveis, em parte,. pelas dificuldades que os alunos encontram em conteúdos dessa disciplina, acarretando um baixo rendimento quando comparado com disciplinas de outras áreas; . Apresentam semelhanças com esquemas de pensamento encontrados na. evolução de teorias físicas, fornecendo uma forte evidência de que os erros dos alunos não são simplesmente indícios de ignorância. As características acima mencionadas não deixam dúvida de que, para haver um ensino efetivo, não é possível ignorar toda a bagagem conceitual que o aluno traz ao se deparar com o ensino formal de Física na escola. Como ele já tem uma explicação de “como as coisas funcionam”, frequentemente não aceita bem a visão da ciência. Pode inclusive obter a solução correta de problemas que exijam a aplicação direta de equações, demonstrando uma aparente compreensão do conteúdo (PEDUZZI, 1988), mas, no entanto, quando se depara com problemas envolvendo situações do dia-a-dia nas quais não são necessários “cálculos” para a sua solução, responde usando o esquema conceitual alternativo..

(13) 10. As concepções alternativas têm sua origem na atividade cotidiana das pessoas, surgindo na interação espontânea com meio cotidiano e servem, principalmente, para fazer previsões em relação ao comportamento do meio. Estão, além disso, determinadas quanto ao seu conteúdo por limitações na capacidade de processamento dos seres humanos. Outro aspecto característico das concepções alternativas é que se organizam em forma de “teoriaação” ou implícitas (DRIVER E ERICKSON, 1983, Apud SILVA, 1995), “teorias pessoais” (CLAXTON, 1984, Apud SILVA, 1995) ou “teorias causais” (POZO, 1987a, 1987b). Todas essas denominações referem-se, especificamente a duas características bem marcantes das concepções alternativas, que são: (i) os conceitos espontâneos não se justapõem uns aos outros, mas constituem estruturas hierarquizadas de conceitos, ainda que geralmente implícitas ou não conscientes; e (ii) tais estruturas cognitivas possuem uma função explicativa. Em conseqüência de sua origem na atividade espontânea e sua organização em teorias, tais conceitos resultam muito resistentes à mudança, persistindo mesmo após uma longa instrução científica. Em geral, não são abandonados pela simples exposição aos conceitos científicos corretos. Mas a superação de tais concepções exige que os alunos se conscientizem de suas próprias concepções alternativas e que as mesmas sejam analisadas e discutidas em sala de aula; para isso, pode se fazer uso de experiências de laboratório, tanto em nível qualitativo quanto quantitativo (CLEMENTE, 1982, Apud SILVA, 1995), fazer apresentações de exemplos e contra exemplos, fazer uso também da resolução de problemas (não na forma como normalmente são propostos nas tradicionais listas de problemas, como simples exercícios de aplicação da teoria, mas como um meio através do qual o aluno possa discutir mais a situação física envolvida e seus possíveis modelos alternativos (PEDUZZI, 1988)), utilizar da discussão de aspectos ligados à História da Ciência como forma de estabelecer um paralelismo entre algumas concepções alternativas dos alunos e importantes idéias mantidas no passado e também para o aluno perceber a evolução de conceitos e o desenvolvimento de teorias (GILBERT E ZYLBERSZTAJN, 1985). É interessante que o modelo científico e o alternativo sejam comparados quanto ao seu poder explicativo e suas limitações e que esse modelo científico seja aplicado em situações conhecidas e novas. Alguns pesquisadores, tomando por base que a aprendizagem é um processo que envolve compreender e aceitar idéias que sejam inteligíveis e racionais, postularam quatro condições necessárias a uma mudança conceitual (POSNER et al., 1982, Apud SILVA, 1995): . Dever haver descontentamento com as concepções existentes..

(14) 11. O aluno deve verificar que existem situações que não pode explicar com o seu modelo conceitual. Essa ocorrência de irregularidade cria então uma insatisfação com suas idéias alternativas que pode favorecer a mudança conceitual. •. Uma idéia ou conceito novo deve ser inteligível.. Uma idéia ou conceito novo deve ser bem compreendido pelo estudante, de modo que ele possa enxergar a sua aplicabilidade a novas situações. •. Uma idéia ou conceito novo deve parecer inicialmente aceitável.. •. Uma idéia ou conceito novo deve ser útil.. Uma idéia ou conceito novo deve servir para explicar as irregularidades encontradas, resolvendo novas situações. Uma pessoa com formação científica poderia rir da ingenuidade do pensamento infantil, capaz de inventar a entidade frio em contrapartida ao calor, e de distinguir duas formas de “energia” que podem fluir de um corpo ao outro: o calor e o frio. No entanto, no seu cotidiano, essa pessoa continuará a usar esses conceitos de uma forma muito natural. Mesmo porque soaria pedante alguém afirmar que “vestiu uma blusa de lã porque ela é um bom isolante térmico, impedindo que o corpo ceda calor para o ambiente”. Ora, nós vestimos lã porque ela é quente e nós estamos com frio. Não há aí nenhum vestígio de concepções ingênuas, mas apenas usamos a palavra calor num sentido de senso comum que a nossa cultura consagrou. Portanto, existe um consenso entre os pesquisadores da área de Ensino de Ciências em relação às dificuldades na superação das concepções alternativas, apresentadas pelos alunos quanto aos conteúdos a serem trabalhados nesse nível de ensino. Segundo Bachelard: Os professores de Ciências imaginam que o espírito começa como uma aula, que é sempre possível reconstruir uma cultura falha pela repetição da lição, que se pode fazer entender uma demonstração repetindo-a ponto por ponto. Não levam em conta que o adolescente entra na aula de física com conhecimentos empíricos já constituídos: não se trata, portanto, de adquirir uma cultura experimental, mas sim de mudar de cultura experimental, de derrubar os obstáculos já sedimentados pela vida cotidiana. (...) Toda cultura cientifica deve começar por uma catarse intelectual e afetiva. Resta, então, a tarefa mais difícil: colocar a cultura cientifica em estado de mobilização permanente, substituir o saber fechado e estático por um conhecimento aberto e dinâmico, dialetizar todas as variáveis experimentais, oferecer enfim à razão razões para evoluir (BACHELARD, 2005, p. 23-24)..

(15) 12. A busca da superação das concepções alternativas dos alunos pressupõe uma mudança de atitude dos professores diante de sua prática didático-pedagógica. O professor não pode ser um mero transmissor do conhecimento e o aluno apenas um receptor. Nessa perspectiva, o professor tentará transmitir o conteúdo para o aluno, mas provavelmente não ocorrerá aprendizagem, já que o aluno será visto como um ser passivo. Então, como suas concepções alternativas não serão levadas em conta, dificilmente ele relacionará o que é apresentado pelo professor com o que já sabia e não fará a mudança conceitual. Nessa abordagem, centrada no professor e não no aluno, este não participará ativamente de sua aprendizagem, não vivenciará a construção de seu próprio conhecimento. Segundo Zylberstajn, em artigo publicado em 1983, os pesquisadores em Ensino de Ciências parecem ter se dado conta das implicações educacionais decorrentes do fato de que alunos constroem concepções a respeito da realidade que os cerca. Concepções estas que lhes proporcionam uma compreensão pessoal desta realidade, influindo na maneira pela qual estes alunos aprendem (ou deixam de aprender) os conceitos que lhes são ensinados. Atualmente, não existem mais dúvidas da importância em conhecer as concepções dos estudantes, como fator que tem implicações na aprendizagem, permitindo, a pesquisadores na área, afirmarem que: Na realidade há um confronto entre a Física ensinada (oficial) e a espontânea e sem dúvida o objetivo do ensino é a aprendizagem da oficial; este confronto muitas vezes se realiza de forma pouco harmoniosa e seu resultado não é uma visão conceitual coerente e rica, mas a superposição e justaposição de conceitos de diferentes origens e alcance, que prejudicam qualquer pretensão de aprofundamento teórico do aluno (VILLANI et al., 1982, p. 125-150).. Aceitando a idéia que existe um confronto entre a Física “oficial” e a alternativa durante o processo ensino-aprendizagem, faz-se necessário que os professores tornem-se pesquisadores, cujo objeto de pesquisa é seus próprios alunos. Esse papel de professor-pesquisador é necessário, pois o ensino a ser ministrado pelo mesmo será menos ou mais eficiente dependendo de seu conhecimento sobre alguns aspectos relativos a seus alunos, em especial as concepções alternativas apresentadas pelos mesmos em relação aos temas a serem discutidos em sala de aula. De acordo com Villani: [...] não é produtivo ignorar a bagagem cultural do aluno e todo o conjunto de noções espontâneas que ele carrega ao se deparar com o ensino formal na escola. Se não cuidar adequadamente da física espontânea dos alunos sobrarão duas estruturas superpostas, entre as quais os alunos escolherão.

(16) 13. uma dependendo do contexto; em geral quando o problema envolver muitos elementos formais usarão a aprendizagem formal; quando o problema envolver elementos do dia-a-dia e com características bem figurativas ou capazes de estimular a percepção, usarão o esquema espontâneo (VILLANI et al., 1982, p. 125-150).. O conhecimento das concepções alternativas dos estudantes permite aos professores planejarem estratégias de ensino que facilitem o processo ensino - aprendizagem, pois as atividades a serem desenvolvidas em sala de aula serão direcionadas à superação de tais concepções diagnosticadas previamente. Superação que, no entanto, nunca é total. Alguns autores consideram inviável querer extinguir as concepções cotidianas dos alunos, enraizadas que estão na linguagem cotidiana, dada a existência de um grande número de situações em que essas concepções são aplicadas com sucesso. Afirmam ainda que: [...] dependemos das concepções, expressas na linguagem cotidiana para comunicar e sobreviver no nosso dia-a-dia. Em lugar de tentar suprimi–las, seria melhor oferecer aos alunos condições para tornar consciência de sua existência e saber diferenciá–las dos conceitos científicos (MORTIMER & AMARAL, 1998 p 30).. Embora o objetivo principal da escola seja o ensino do conhecimento científico, compreendemos que nem sempre é fácil fazer com que os alunos adotem a concepção científica vigente e abandonem suas concepções alternativas, pois essas concepções são produto de aprendizagem significativa, ou seja, são idéias que têm significado para o aluno, mas que talvez o importante fosse que o estudante adquirisse consciência de que tais significados são errôneos no contexto científico. Muitos pesquisadores, entre eles Mortimer (1994), admitem a possibilidade de usar diferentes formas de pensar em diferentes domínios e, ainda, que a construção de uma nova idéia possa, em algumas situações, ocorrer independentemente das idéias prévias e não necessariamente como uma acomodação de estruturas conceituais já existentes. Nesse sentido, (...) permite entender a evolução das idéias dos estudantes em sala de aula não como uma substituição de idéias alternativas por idéias científicas, mas como a evolução de um perfil de concepções, em que as novas idéias adquiridas no processo de ensino-aprendizagem passam a conviver com as idéias anteriores, sendo que cada uma delas pode ser empregada no contexto conveniente. Através dessa noção é possível situar as idéias dos estudantes num contexto mais amplo que admite sua convivência com o saber escolar e com o saber científico. (MORTIMER, 1994)..

(17) 14. Para esse autor, suprimir as concepções alternativas significaria suprimir o pensamento de senso comum e seu modo de expressão, a linguagem cotidiana. Especificamente em relação aos conceitos de calor e temperatura, existe um consenso sobre a importância da correta compreensão dos mesmos, como requisito básico para o entendimento de outros conceitos fundamentais da Física. Einstein e Infeld confirmam essa importância, afirmando: Os conceitos mais fundamentais na descrição dos fenômenos térmicos são temperatura e calor. Foi necessário um tempo inacreditavelmente longo da história da ciência para que esses conceitos fossem distinguidos, mas uma vez feita essa distinção, resultou em rápido progresso (EINSTEIN E INFELD, 1980, p. 39-40).. Schenberg também chama a atenção para a importância da compreensão correta dos conceitos de calor e temperatura sob a ótica do conhecimento científico, pois proporcionará aos estudantes assimilarem e/ou construírem outros conceitos científicos, permitindo aos mesmos fazerem uma transição segura entre os conceitos macroscópicos para os microscópicos que permeiam a Física Térmica. O mesmo sinaliza, ao falar da revolução dos quanta, sobre a importância de uma teoria científica do calor: Esta grande revolução, talvez a maior de todas que houve na Física depois da criação da Mecânica no século XVII, foi exatamente a criação da teoria dos quanta. E foram os estudos do calor e da termodinâmica que levaram a essa revolução. [...] Durante o século XIX se desenvolveram, portanto, essas duas teorias: a teoria do calor e a teoria do campo eletromagnético. A teoria do calor conduziu à mecânica estatística e à introdução dos conceitos probabilísticos na Física (SCHENBERG, 1984, p. 106 – 110).. Segundo Silva (1995), podemos resumir as concepções alternativas sobre os conceitos enfocados como:. •. Calor é entendido como uma substância, uma espécie de fluido, como às vezes o frio ganha uma conotação semelhante e contrária;. •. Temperatura é a medida do calor de um corpo;. •. Calor também está associado às temperaturas altas;. •. Tende-se a estabelecer a temperatura como propriedade dos corpos, não pensando em equilíbrio térmico;. •. Há uma tendência de usar o calor como propriedade dos corpos quentes e o frio como propriedade contrária;.

(18) 15. •. Os conceitos de calor e temperatura são usados como sinônimos. Usa-se também o conceito de temperatura como sinônimo de energia;. •. Há também uma propriedade animista, usada para explicar o aquecimento ou o resfriamento, sem se constituir em figuras de linguagem;. •. Há uma atribuição de propriedades macroscópicas às partículas;. •. Calor é um processo interno resultante do atrito entre as partículas. Segundo Silva (1995), não se deve ensinar os conceitos de calor e temperatura. de forma “tradicional”. É preciso distinguir um do outro, tratando o calor como uma propriedade extensiva, isto é, dependente ou proporcional à massa do corpo (ou sistema) e que pode ser definido como sendo a energia transferida de um sistema a outro, quando existe uma diferença de temperatura. E a temperatura como propriedade intensiva, ou seja, independente da massa. Sem isso não se pode superar os conceitos prévios dos alunos. Entendemos que trabalhar essa diferenciação implica, antes de tudo, no conhecimento pelo professor das concepções alternativas apresentadas pelos estudantes e da concepção científica em relação a estes conceitos. 2.2 História da ciência e Ensino de Física Se a ciência é a reunião de fatos, teorias e métodos reunidos nos textos atuais, então os cientistas são homens que, com ou sem sucesso, empenharam-se em contribuir com um ou outro elemento para essa constelação específica. KUHN, 1998, p. 20.. Consideramos ser a História da Ciência um instrumento importante que deve ser utilizado pelos professores, pois facilitará o processo ensino-aprendizagem dos alunos. A mesma pode, segundo Silva (1995) e Vannucchi (1996): •. Propiciar o aprendizado significativo de equações que o utilitarismo do ensino tradicional acaba transformando em meras expressões matemáticas que servem à resolução de problemas ou simplesmente de exercícios;. •. Ser bastante útil para lidar com a problemática das concepções alternativas, pois algumas das concepções apresentadas por alunos são encontradas ao longo do desenvolvimento da ciência;.

(19) 16. •. Incrementar a cultura geral do aluno, admitindo-se neste caso, que há um valor intrínseco em se compreender certos episódios fundamentais que ocorreram na história do pensamento científico;. •. Desmistificar o método científico, dando ao aluno os subsídios necessários para que ele tenha um melhor entendimento do trabalho do cientista;. •. Mostrar ao aluno como o pensamento científico se modifica com o tempo, evidenciando que as teorias científicas não são “definitivas, verdades absolutas e irrevogáveis”, mas objeto de constante revisão e que na maioria das vezes não apresenta um desenvolvimento linear;. •. Chamar a atenção do aluno para o papel de idéias metafísicas no desenvolvimento de teorias científicas mais antigas;. •. Contribuir para um melhor entendimento das relações da ciência com a tecnologia, a cultura e a sociedade;. •. Tornar as aulas de ciência (Física) mais desafiadoras e reflexivas, permitindo desse modo, o desenvolvimento crítico (MATTHEWS, 1994, Apud SILVA, 1995);. •. Propiciar o aparecimento de novas maneiras de ensinar certos conteúdos;. •. Melhorar o relacionamento professor-aluno;. •. Levar o aluno a se interessar mais pelo Ensino da Física. Mas, essa utilização da História da Ciência nas aulas de Física só será. significativa existindo uma pesquisa bem feita, em condições de sala de aula e com materiais históricos apropriados, de boa qualidade. Outro cuidado que se deve ter é que não se pode exagerar ou supervalorizar a contribuição da história junto ao ensino, para não tornar o ensino dependente da história, e também para não alimentar expectativas que possam concebê-la como a solução dos sérios problemas do ensino de Física. Trabalhar a História da Ciência nas aulas requer também uma mudança na postura do professor, o mesmo terá de agir como um “professor-pesquisador”, pois, assim ele não corre o risco de fazer surgirem inoportunas relações de hierarquia e complexidade crescente entre o passado e o presente. Ou seja, de disseminar a idéia de que o passado seria constituído de elementos simples que foram se tornando complexos por conta de um processo contínuo de elaboração científica. O professor com interesse na utilização da História da Ciência em suas aulas, terá de realizar uma seleção das fontes e dos materiais, consciente de que essa seleção envolve decisões que não podem ser dissociadas da visão de mundo e das concepções de ciência do.

(20) 17. estudioso. Pois, uma seleção histórica da evolução dos assuntos de um corpo específico de conhecimento, em qualquer situação, será sempre um subconjunto do real que apresenta um emaranhado de relações que lhe conferiram dinamicidade. Esta dificuldade, no entanto, pode ser contornada se os professores produzirem, como afirma Matthews: [...] uma história simplificada que lance uma luz sobre os conteúdos discutidos, que não seja uma mera caricatura do processo histórico. A simplificação deve levar em consideração a faixa etária dos alunos e todo o currículo a ser desenvolvido. História e ciência podem torna-se mais e mais complexas à medida que assim exija a situação educacional (MATTHEWS, 1995 p. 164-214).. No entanto, existem correntes de pesquisadores contrários à utilização da história da ciência no ensino, e que fazem severas críticas. Segundo Kuhn, encorajar os estudantes de ciência a lerem os clássicos históricos de suas áreas propiciar-lhes-ia o contato com trabalhos nos quais “poderiam descobrir outras maneiras de olhar os problemas discutidos nos seus livros de texto”. Assegura Kuhn, “mas onde também encontrariam problemas, conceitos e padrões de solução que as suas futuras profissões há muito descartaram e substituíram”. Assim, a exposição à história da ciência poderia abalar ou enfraquecer as convicções do estudante sobre o paradigma vigente, sendo, nessa leitura, danosa à sua formação. De acordo com a visão Kuhniana do desenvolvimento científico, a estabilidade do cientista em um período de ciência normal contrasta com as suas incertezas e inseguranças durante as crises e revoluções. Desse modo, por que submeter “novamente” o estudante, quem sabe, futuro cientista, ao resgate de concepções que os melhores e mais persistentes esforços da ciência tornaram possível descartar? (KUHN, 1987, p.176). Entretanto, é justamente a pouca presença da História da Ciência nos livros didáticos e o seu uso distorcido no sentido de promover uma reconstrução de idéias que parecem fluir naturalmente em direção a teorias atualmente aceitas, que “tende a apresentar as teorias atuais como resultado de um processo de gestação, onde os cientistas do passado operavam sobre um embrião que o presente transformou em rebento” (BIZZO, 1992, p. 28-35), que faz despercebida, para o estudante, as grandes rupturas no conhecimento científico. Ou seja, a imagem do trabalho científico que resulta dessa opção educacional é a de cientistas de épocas anteriores trabalhando linear e cumulativamente em prol de uma ciência em constante desenvolvimento. Ainda, segundo Kuhn:.

(21) 18. [...] em vez de procurar as contribuições permanentes de uma ciência mais antiga para a nossa perspectiva privilegiada, devemos atentar para a integridade histórica daquela ciência, a partir de sua própria época. Por exemplo, não devemos perguntar pela relação de Galileu e as da ciência moderna, mas antes pela relação entre as concepções de Galileu e aquelas partilhadas por seu grupo, isto é, seus professores, contemporâneos e sucessores imediatos nas ciências. (...) devemos procurar estudar as opiniões desse grupo e de outros similares a partir da perspectiva que dá a essas opiniões o máximo de coerência interna (KUHN, 1998, p. 22).. Outra crítica feita à utilização da História da Ciência no ensino, é a que defende ser de uma complexidade sem limites a caminhada do cientista na busca do conhecimento. Desse modo, a discussão histórico-didática de concepções científicas já não mais aceita pela ciência contemporânea seria, no mínimo, incompleta e, por essa razão, passível de receber fortes objeções. Portanto, observamos a existência de opiniões distintas em relação à utilização da História da Ciência no ensino. Consideramos que, se utilizada, tendo o cuidado de analisar de forma coerente os pontos positivos e negativos acima discutidos, torna-se uma ferramenta indispensável como instrumento facilitador do processo de construção do conhecimento físico. A História da Ciência pode dar maior significado aos conteúdos de Física trabalhados no ensino médio, como fórmulas e equações que, às vezes, são trabalhadas sem que muitos alunos possam apreender o que significam..

(22) 19. 3 HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA Uma vez discutida, ainda que brevemente, a relevância da História da Ciência para as questões do ensino de Física, passemos agora a uma breve apresentação de aspectos relativos à história da Termodinâmica. Isso é fundamental, tendo em vista que os conceitos de calor e de temperatura são centrais em nosso estudo. Nessa seção e na próxima, utilizamos como referência principal a obra: Perry (1985). 3.1 Contexto histórico – A Revolução Industrial Segundo Roditi, a Termodinâmica é o: Ramo da Física que investiga as leis e processos que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas de transformação de energia, mais especificamente as mudanças de energia que a disponibilizem para a realização de trabalho, assim como a direção das trocas de calor (RODITI, 2005, p. 223). A palavra Termodinâmica é derivada das palavras gregas thermé (calor) e dynamis (força). Procura responder a perguntas do tipo. O que é calor? “Quanto” calor é necessário fornecer a um corpo para aumentar sua temperatura? Como se pode realizar trabalho, transformar energia, a partir do calor? É possível uma máquina térmica ter rendimento igual ou superior a cem por cento? A Termodinâmica desenvolvida momento. foi em. um. histórico. marcado por uma fase de profundas. mudanças. sociais e econômicas, na Europa, concretizadas com o estabelecimento do modo de produção capitalista no. Figura 1 – Londres, Século XVIII. período referente aos séculos XVIII e XIX. Uma pequena classe média urbana, no início restrita a Inglaterra, aos Países Baixos e ao norte da França, rompe com o sistema de produção.

(23) 20. feudal da Idade Média através, inicialmente, de uma produção artesanal e doméstica. Por outro lado, os métodos da ciência experimental estabelecidos no século XVII com a revolução científica (BERNAL, 1979) passam a ser aplicados aos diversos ramos do conhecimento; tais aplicações, por sua vez, são utilizadas para propiciar as transformações nos meios de produção. Assim, com a melhor organização do trabalho, através da divisão e da especialização das tarefas, e com as inovações tecnológicas resultantes do estabelecimento dos métodos da ciência experimental, a exemplo da maquinaria têxtil, firma-se na prática um novo sistema de produção. Tal modo de produção atinge rapidamente o comércio e a agricultura. Para o estabelecimento e êxito do que se chamou de Revolução Industrial, as inovações tecnológicas tiveram um papel fundamental, destacadamente a máquina a vapor, na medida em que essa se tornou o ponto de partida para o bom êxito da indústria pesada, assim como para a evolução dos meios de transporte. Portanto, o termo Revolução Industrial refere-se à mudança de uma economia agrária manual para outra dominada pela produção mecanizada em fábricas nas áreas urbanas. A Revolução Industrial envolveu uma mudança do trabalho manual para o realizado por máquinas e do trabalho humano ou animal para outras formas de energia, como a máquina a vapor ou de combustão. A aplicação de inventos às tarefas humanas e à organização do trabalho em equipes, nas fábricas, teve enormes conseqüências para a sociedade. A mudança tecnológica apelou para as esperanças de homens e mulheres progressistas, oferecendo uma promessa de alívio da pobreza, das necessidades e do trabalho duro. Mas a industrialização e a urbanização rápidas criaram também problemas imensos para o indivíduo e o para o Estado. O progresso individual não se processou em todos os lugares com o mesmo ritmo. No entanto, vale ressaltar que a origem da revolução Industrial está vinculada com a indústria têxtil, naquela época a principal indústria da Inglaterra. Esse processo de desenvolvimento e expansão que culminou com a Revolução Industrial, teve início com a invenção da lançadeira volante de Johnny Kay, que foi aperfeiçoada e duplicou a produção de um tecelão. Essa lançadeira, que podia ser usada em casa, era uma adaptação de outras máquinas que tinham sido usadas durante várias gerações no comércio de lã. Depois, a máquina de fiar de James Hargreaves, aperfeiçoada por volta de 1768, permitiu a um operário manipular vários fusos imediatamente (usando ainda somente a energia humana). Figura 2 – Lançadeira manual Figura 2 – Lançadeira manual.

(24) 21. O modelo de máquina de fiar de 1768, de Richard Arkwright, podia ser movido pela ação da água ou por energia animal, uma vantagem enorme; e a “spinning mule”, de Samuel Crompton, de início facilitou a manipulação de vários fusos pela energia do homem, depois pela energia animal e da água. Essas mudanças na fiação melhoraram a produtividade de tal modo, que as condições de tecelagem desenvolveram-se até o tear automático de Edmund Cartwright em 1787.. Figura 3 – Lançadeira de Richard Figura 2 – Lançadeira manual. Figura 4 - Spinning mule. Esses inventos não eram complicados. e. foram. produzidos. por. tecelões e fiandeiros, e não por técnicos, inventores ou cientistas. Eram feitos de acordo com modelos de máquinas já existentes. Porém, com o processo de industrialização que se encontrava em andamento, exigia uma tecnologia cada vez mais complexa. Surgia aí uma função para o engenheiro, um perito na construção e na adaptação de máquinas, constituindo, assim, a Revolução Industrial um estímulo à. Figura 5 – Manuwframe. atividade científica, estando esta voltada para problemas suscitados pela indústria. Portanto, foi nesse contexto social, econômico e político, enfim, histórico, que se deu a evolução da Termodinâmica..

(25) 22. 3.2 Máquinas térmicas Até há cerca de 200 anos, a maior parte do trabalho era feito por pessoas ou animais. O trabalho era também obtido a partir do vento e da água, mas ambos não eram fontes confiáveis de energia, porque não podiam ser utilizados facilmente em qualquer local e quando necessários. No século XVIII, a exploração das reservas de carvão, fez surgir a necessidade de um método econômico para bombear a água das minas que ficavam inudadas e que, portanto, teriam de ser abandonadas. A máquina a vapor desenvolveu-se inicialmente para satisfazer a esta necessidade prática. A máquina a vapor é um aparelho que converte a energia de alguns combustíveis (por exemplo, a energia química do carvão ou do petróleo ou a energia nuclear do urânio) em energia térmica e esta em energia mecânica. Esta energia mecânica pode então ser utilizada diretamente para realizar trabalho, como numa locomotiva a vapor, ou pode ser transformada em energia elétrica. Desde tempos remotos que se sabe que o calor pode ser utilizado para produzir vapor, podendo este depois produzir trabalho mecânico. A eolípila, inventada por Herão de Alexandria cerca de 100 anos antes de cristo, trabalhava segundo o princípio da terceira lei de Newton. O irrigador de jardim rotativo trabalha do mesmo modo, exceto que a força motora é devida à pressão da água em vez da pressão do vapor. A eolípila de Herão era um brinquedo, mais para entretenimento do que para qualquer trabalho útil. Somente, a partir do final do século XVIII foram inventadas máquinas a vapor com interesse comercial. Atualmente, diríamos que uma máquina a vapor usa uma “reserva de calor” para realizar trabalho mecânico, isto é, converte calor em energia mecânica. Mas muitos inventores nos séculos XVIII e XIX não pensaram no calor deste modo. Olharam o calor como uma substância fina, invisível, que podia ser utilizada repetidamente para produzir trabalho sem se esgotar. Todavia, não tiveram que esperar para aprender todas as leis da física até então conhecidas para que se tornassem engenheiros bem sucedidos. De fato, a seqüência dos acontecimentos foi precisamente ao contrário: as máquinas a vapor foram desenvolvidas primeiro por homens que se preocuparam menos com a ciência do que com ganhar dinheiro ou pelo menos com a melhoria e a segurança na exploração das minas. Mas tarde, cientistas que tinham não só um conhecimento prático do que trabalhava, mas também a curiosidade de como trabalhava, fizeram novas descobertas em física..

(26) 23. A primeira máquina a vapor com sucesso comercial foi inventada por Thomas Savery (1698), baseada num projeto de Edward Somerset (1663). Apesar de sua eficiência duvidosa tem-se notícias de sua utilização no bombeamento de água das minas de carvão. Resumidamente, a máquina de Savery consistia num grande cilindro de metal preenchido de vapor, vindo de um ebulidor. Uma válvula interrompia a entrada de vapor, enquanto o cilindro era resfriado com jato de água à temperatura ambiente. A partir desse resfriamento, o vapor d'água se condensava formando vácuo no seu interior. Esse vácuo fazia que, por um tubo controlado por outra válvula, fosse aspirada água de um posto distribuidor. Um novo ciclo se iniciava quando outra descarga de vapor era introduzida, expulsando água residual. Aparentemente, essa máquina servia ao propósito para o qual fora construída: bombear água de minas de carvão, que se inundavam com freqüência devido a sua grande profundidade; um de seus grandes problemas era como lidar com o vapor a alta pressão, e consequentemente, alta temperatura. A falta de um resfriamento eficiente do cilindro deve ter provocado uma série de acidentes desagradáveis, além, é claro de reduzir sua eficiência. Como a criatividade está muitas vezes a serviço da necessidade, não se pode falar da máquina de Thomas Newcomen (1712), sem falar antes do êmbolo de Denis Papin (1690). Quando a água se condensava no interior do cilindro, o vácuo produzido movia o êmbolo no sentido contrário. Na máquina de Savery esse movimento era provocado pela ação da pressão atmosférica. Com a introdução de um êmbolo (criado por Papin) que se moveria pela ação do vapor, estabeleceu-se uma assimetria entre o movimento de entrada do vapor (rápido) e a influência da pressão atmosférica no retorno (lento). Mas, um dos sérios problemas da máquina de Savery era como controlar a alta temperatura do vapor d'água. Houve, então, um avanço da técnica introduzido por Newcomen, que resolveu o problema incluindo um sistema de válvula que permitia a entrada de vapor e água fria alternadamente, ou seja, o vapor era admitido por apenas um dos lados do êmbolo, enquanto a água fria era injetada pelo outro lado, sendo o ar produzido na ebulição expelido com a entrada do vapor. Uma máquina a vapor bastante desenvolvida teve origem no trabalho de James Watt. Pediram a Watt que reparasse um modelo de máquina de Newcomen que era usado em aulas práticas na universidade. Ao familiarizar-se com o modelo, ficou impressionado com a quantidade de vapor que era necessário para pôr a máquina em funcionamento. Watt procedeu a uma série de experiências sobre o comportamento do vapor e chegou à conclusão de que o maior problema estava relacionado com a temperatura das paredes do cilindro. Observou que a máquina de Newcomen desperdiçava a maior parte do calor no aquecimento das paredes do.

(27) 24. cilindro, que eram depois resfriadas sempre que a água fria era injetada para condensar o vapor. No início de 1765, Watt descobriu como se podia evitar este desperdício, concebeu um tipo modificado de máquina a vapor, na qual o vapor contido no cilindro, depois de efetuar o trabalho de empurrar o êmbolo, era admitido num recipiente separado para ser condensado. Com este sistema, o cilindro podia manter-se sempre quente e o condensador podia manter-se sempre frio. A invenção da máquina a vapor de Watt, com condensador separado, superou a máquina de Newcomen, estimulou o desenvolvimento de máquinas que podiam fazer muitos outros trabalhos e/ou atividades fabris diversas, condução de locomotivas, barcos a vapor, e assim por diante. Deu um estímulo enorme ao crescimento industrial na Europa e na América e, portanto, ajudou a transformar a estrutura econômica e social da civilização ocidental. O desenvolvimento em larga escala de motores e de máquinas revolucionou a produção em massa de artigos de consumo, a construção e os transportes. O padrão de vida médio na Europa Ocidental e nos Estados Unidos cresceu acentuadamente. Atualmente é difícil imaginar como era a vida antes da industrialização. Mas, nem todos os efeitos da industrialização foram benéficos. O sistema de fábricas do século XIX deu oportunidade a alguns patrões gananciosos e sem escrúpulos para explorar os trabalhadores. Estes patrões tiveram grandes lucros, enquanto mantiveram os empregados e suas famílias à beira da miséria. Esta situação, que era especialmente séria na Inglaterra no princípio do século XIX, conduziu a reinvidicações de reformas, através de novas leis, em que, os excessos mais graves foram finalmente eliminados. À medida que as pessoas abandonavam os campos para trabalhar nas fábricas, o conflito entre a classe trabalhadora, constituída por empregados e a classe média, constituída por patrões e quadros dirigentes, tornou-se mais intenso; ao mesmo tempo, alguns artistas e intelectuais começaram a atacar as tendências materialistas da sociedade que viam tornar-se cada vez mais dominada pelo comércio e pela maquinaria. Em alguns casos, confundiam a própria ciência com aplicações técnicas e denunciavam ambas enquanto recusavam aprender algo sobre elas. Embora as máquinas a vapor já não sejam muito utilizadas na indústria e nos transportes, o vapor é ainda indiretamente a maior fonte de energia. A turbina a vapor, inventada pelo engenheiro inglês Charles Parsons em 1884, substituiu largamente outros tipos de máquinas a vapor mais antigas. Atualmente, é por intermédio de turbinas a vapor que trabalham os geradores elétricos de grande parte das centrais elétricas dos países desenvolvidos. E são geradores elétricos movidos a vapor que fornecem a maior parte de.

(28) 25. energia para a maquinaria da civilização moderna. Mesmo nas centrais nucleares, a energia nuclear é utilizada para produzir vapor que depois move as turbinas e os geradores elétricos. O princípio básico da turbina de Parsons é mais simples do que o das máquinas de Newcomen e Watt: um jato de vapor a alta pressão toca as pás de um rotor, fazendo-o mover a alta velocidade. 3.3 Evolução dos conceitos de calor e de temperatura Ápeiron era o princípio de todas as coisas, dessa massa primordial, que continha forças como o calor e o frio, emergia um núcleo, o embrião do universo. O frio e o úmido condensavam-se para formar a Terra e o seu invólucro de nuvens enquanto o quente e o seco formavam os anéis de fogo que conhecemos como a Lua, o Sol e as estrelas. O calor que se desprendia do fogo no céu secava a Terra e provocava a retração dos oceanos. Da morna camada de lodo acumulada sobre a Terra surgiu a vida, e das primeiras criaturas marinhas desenvolveram-se os animais terrestres, entre eles os seres humanos. ANAXIMANDRO, (611-547 a.C.). Apresentaremos a seguir as idéias e concepções dos principais pensadores, obedecendo a uma ordem cronológica e buscando compreender como os conceitos de temperatura e de calor se desenvolveram. Este estudo, ainda que breve, é adequado como referência para a elaboração de atividades que envolvam a História da Ciência, pois facilitará a elaboração ou adaptação de textos para os estudantes. A origem do uso e domínio do fogo como fonte de calor, apesar de haver controvérsias, é atribuído ao homo erectus, datado de cerca de 700.000 anos (SILVA, 1995 p. 33). Na filosofia Jônica, existia a crença de que na base de tudo havia um único elemento responsável pelas diversas manifestações e transformações da matéria conhecida. Para Tales (624-546 a.C.), esse elemento era a água, para Anaxímenes (586-525 a.C.) era o ar e para Heráclito (535-470 a.C.) era o fogo. As explicações através de um único elemento se mostravam insuficientes e Empédocles (492-432 a.C.) enunciou a teoria de quatro elementos (água, ar, fogo e terra), indestrutíveis e eternos, que se uniam e se separavam mediante duas forças: o amor e o ódio. Estes quatro elementos agregados ao éter (5o elemento) são adotados por Aristóteles (384-322 a.C.) e triunfaram por vários séculos. No modelo aristotélico, “quente” e “frio” eram qualidades opostas que, juntamente com “seco” e “úmido”, combinavam-se duas a duas na constituição dos quatro elementos fundamentais. Para Leucipo (500-430 a.C.) e Demócrito (460-370 a.C.), a matéria era composta por diminutos átomos e o calor era atribuído aos átomos muito móveis que escapavam incessantemente dos corpos muito quentes (SILVA, 1995)..

(29) 26. Platão (427-347 a.C.) escreveu no Timeu que o fogo era um elemento, que quando penetrava um corpo, colocava as partículas deste em movimento, o que por sua vez iria fazer com que estas se separassem. Ao ser esfriado, afastando o corpo do fogo, o ar iria expulsar o fogo e comprimiria novamente as partículas. Assim, distingue entre a causa, o fogo que penetra na matéria, do efeito, o calor que seria o movimento das pequenas partes da matéria (SCHURMANN, 1946). A interpretação dessa passagem do Timeu de Platão, feita por outro autor (AGABRA, 1986), é de que nela há uma distinção entre o conceito de calor e o de temperatura. Isso, porém constitui um exagero, pois como veremos mais adiante, o termo temperatura (ou correlato a ele) é apresentado por Galeno no século II (d.C.), isto é, aproximadamente seis séculos após Platão, o que nos leva a concluir que para o pensador grego havia apenas uma idéia, ou seja, o calor (e o seu "contrário": o frio). Calor e frio não eram para Platão expressões relativas, pois segundo este a geada se forma a partir do sereno, quando este perde o seu conteúdo de fogo, ou ainda, a neve se forma quando a água perde sua porção fogo (SILVA, 1995). Tanto na obra de Platão como na de Aristóteles (384-322 a.C.) há menções de que o movimento produz calor. Para este último, porém, "o calor não é constituído a partir do movimento, mas a partir do éter, excitado pelo sol ou pelas estrelas, produto do calor" (Apud HOPPE, p. 126). Por outro lado, Poggendorft (Apud GILBERT, p. 220) nos diz que: "Aristóteles considerava o calor (ou fogo) formado por partículas extraordinariamente pequenas em movimento”. Não há controvérsias de interpretações, pois a noção de movimento se refere às partículas ígneas que constituíam o fogo, portanto, uma substância. Estas concepções foram adotadas por muito tempo a partir do seu enunciado, tendo sobrevivido por toda a Idade Média, com poucas modificações. As explicações de Platão e de Aristóteles eram tão aceitas, que no final da Idade Média vamos encontrar na obra de Giordano Bruno (1548-1600) o uso das idéias aristotélicas de forma já consagradas: Mas, acaso existe algum corpo terrestre tão espesso que não tenha os seus poros insensíveis, sem os quais não seriam tais corpos divisíveis e penetráveis pelo fogo, ou pelo seu calor, que é uma substância? ( SILVA, 1995, p. 169).. Devemos dar destaque também a Galeno (129-200), que no tratado de Medicina propõe a representação do calor e do frio por meio de uma escala de graus numéricos. Nesta escala o ponto zero correspondia a um "calor neutro" que não era nem frio.

(30) 27. nem calor. Como o único meio de "medida" era a sensação, Galeno havia determinado como "calor neutro" à mistura de água fervendo e de gelo (CROMBIE, 1985 p.94). Para Galeno havia no corpo humano uma mescla ou mistura de calor e de frio, que determinava, entre outras causas, o estado de saúde do paciente. O grau neutro dessas duas substâncias correspondia ao estado de saúde melhor. Mesmo não existindo o termômetro para realizar medidas precisas, as idéias de Galeno foram adotadas por médicos árabes e latinos, que inventaram uma escala de 0 a 4 graus de calor ou frio ampliada mais tarde para uma escala de oito graus. As influências dos trabalhos de Galeno foram marcantes em toda a medicina. Sua obra foi considerada como o principal guia médico por muitos séculos, encontrando-se até no séc. XVI considerações sobre o funcionamento do coração e a circulação do sangue baseadas nas suas idéias (CROMBIE, 1985). Quando os tratados de Galeno foram transpostos para o latim dos séculos XI e XII, a idéia de mescla ou mistura de graus de calor foi traduzida pelo termo correspondente: tempera (temperatura). Assim, a idéia de temperatura é atribuída primeiramente a Galeno, consistindo numa tentativa de estabelecer um padrão de medida para a mistura entre o quente e o frio no corpo humano. Este padrão torna-se muito popular entre médicos do ocidente, como a medida de calor ou frio. Na obra de Lucrécio (aproximadamente. 95-55 a.C.) De Rerum Natura, aparecem duas substâncias distintas, o calor que está no sol e o frio que está nos rios e também o fogo, composto por uma substância sutil, que pode-se transferir-se pelos poros da matéria. Interpretações feitas por autores ingleses do séc. XVIII atribuíam a Lucrécio a consideração do calor como estado de movimento das moléculas, o que não parece ser exato, devendo ser um exagero. A idéia de matéria produtora de calor e de matéria produtora de frio é encontrada na obra de Gassendi (1592-1655), mostrando a permanência da filosofia antiga. Até agora mostramos teorias que apresentaram o calor e o frio como substâncias, o que levou à criação de um peso para o calor e um peso para o frio. Estas concepções iriam persistir até o séc. XVIII. Em plena Renascença, essa representação é encontrada em diversas obras, entre elas as de Gassendi, Boyle (1627-1691) e Galileu (15641642). Experiências famosas foram realizadas pelo médico inglês George Fordyce em 1785, para determinar se a água congelada apresentava mudança no seu peso. Também Sir Benjamin Thompson, Conde de Rumford, (1753-1814) repetiu essas experiências em 1787, mas só em 1799 apresentou um trabalho, cuja conclusão era de que todas as tentativas de se observar efeitos do calor sobre o peso se mostraram inúteis ( BASSALO, 1992)..