OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá ser capaz de:
Compreender a lei geral dos gases;
Identificar as principais transformações que ocorrem com os gases: isométrica, isobárica, isotérmica e adiabática;
Calcular volume, pressão, temperatura por meio da lei geral dos gases;
Identificar as causas do brilho variável das estrelas cefeidas; DURAÇÃO
Este encontro utilizará 2h – aula (45 min)
RECURSOS/MATERIAIS DE APOIO
Computador;
Data show;
Quadro branco e caneta; INTRODUÇÃO
Apresentação do tema introdutório
A aula iniciará com o vídeo ABC da Astronomia: Galáxias, o qual irá apresentar algumas características gerais destes objetos astronômicos.
GUIA PEDAGÓGICO DO PROFESSOR
O que são estrelas cefeidas?
Figura 01: Vídeo Abc da Astronomia – Episódio 8: Galáxias
Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=6iFEYS_Fxfw
O professor esclarecerá que estrelas chamadas de cefeidas ajudaram na compreensão destes objetos astronômicos. Após, realizará a pergunta “O que são estrelas cefeídas”?
São estrelas supergigantes com tipo espectral entre F e K que pulsam de forma regular, apresentando períodos de pulsação entre 1 e 100 dias1. A descoberta destas estrelas foi feita por Jonh Goodrike no ano de 1784 na constelação de Cefeu.
Usando a relação período-luminosidade, descoberta pela astrônoma Henrietta Swan Leavitt em 1883 e aperfeiçoada por Ejnar Hertzprung em 1911, é um dos modos de determinar a distância destas estrelas. Hertzprung determinou a distância da Nuvem de Magalhães (galáxia anã que orbita a Via Láctea).
Figura 02: Ilustração da Via Láctea, Pequena e grande Nuvem de Magalhães Disponível em: Aplicativo Celestia
O astrônomo Edwin Powell Hubble também utilizou esta relação para
calcular a distância até a galáxia de Andrômeda, em 1923. Nesta época, haviam duvidas se a Via Láctea consistia em um objeto idêntico a galáxia de Andrômeda, ou então representava todo o universo. A resposta para este enigma estava em determinar a distância até a Galáxia de Andrômeda, descobrindo se ela estava contida ou não dentro da Via Láctea. Hubble, descobriu estrelas cefeidas na Galáxia de Andrômeda, realizando medidas do período de luminosidade delas.
Figura 03: Estrelas cefeída encontrada na Galáxia de Andrômeda Disponível em: http://g1.globo.com/platb/observatoriog1/2011/05/25/a-estrela-que-mudou-o-universo/
Sua distância estava muito além das estrelas mais distantes da Via Láctea. Assim, Hubble concluiu que a Via Láctea era uma galáxia como a de Andrômeda.
Esta etapa será finalizada com a pergunta: O que causa este brilho variável das estrelas cefeidas? A resposta depende da compreensão das transformações termodinâmicas.
DESENVOLVIMENTO Conhecimentos prévios
Para identificar os conhecimentos prévios, será questionado aos alunos “Quais as características que podem ser analisadas nos gases?”. As respostas deverão ser anotadas no quadro. Deverão ser enfatizados os conceitos de pressão, temperatura e volume, destacando que eles se relacionam através da equação dos gases ideais.
Apresentação do Organizador prévio
O exemplo da festa será utilizado novamente para facilitar a compreensão dos alunos. No estudo das transformações termodinâmicas, o interesse está em determinar as variáveis de estado (pressão, temperatura e volume) de um gás antes e depois de transformá-lo, bem como o modo ele é transformado.
Logo, o organizador prévio focará nas seguintes características: Início da festa (Estado inicial), fim da festa (Estado final) e o modo como o Dj interfere na festa (transformação termodinâmica). O professor realizará a seguinte pergunta “O que podemos fazer para transformar uma festa e modificar seu fim?”. A resposta é que de acordo com a música colocada pelo Dj durante a festa, haverá diferentes finais.
Figura 04: Organizador prévio - Transformações termodinâmicas
Estabelecendo a relação com um gás dentro de um recipiente, o professor buscará identificar as mesmas características das festas nos gases, ou seja:
Como o gás estava (Início da festa - Estado inicial);
Como o gás ficou (Fim da festa - Estado final);
De que modo ele foi alterado pelo Dj (Transformação termodinâmica).
Figura 05: Estados inicial e final de um gás
Uma sugestão interessante é utilizar a simulação PHET Propriedades dos gases simultaneamente para apresentação do organizador prévio. Esta etapa encerrará destacando que do mesmo modo que transformamos uma festa para ter diferentes finais, podemos também transformar os gases para diferentes estados finais. Na apostila dos alunos eles responderão ao exercício 7-1.
Transformações termodinâmicas
Buscando apresentar as transformações termodinâmicas de modo mais contextualizadas, serão adotadas as seguintes etapas:
Apresentar o comportamento do gás PHET Propriedades dos gases;
Apresentação de exemplos de onde ela ocorre;
Resolução de um exercício de fixação, juntamente com análise gráfica.
Figura 06: Simulação PHET – Propriedades dos Gases Disponível em: http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/category/physics/
Transformação isométrica
Inicialmente será apresentada esta transformação isométrica utilizando o
PHET Propriedades dos gases. No canto superior direito, a opção “volume”
deverá ser selecionada no campo “Parâmetro constante”. O professor deverá indicar aos alunos onde estão sendo indicados os valores de temperatura e pressão.
Um exemplo da transformação isométrica é no interior de geladeira. Aqui o professor esclarecerá que as geladeiras não possuem um dispositivo que as impede de ser aberta, imediatamente após serem fechadas. O que ocorre é uma transformação isométrica do ar.
Figura 07: Exemplo de transformação isométrica Disponível em: http://www.dicaki.com.br/como-descongelar-uma-geladeira-corretamente/
Ao entrar, ele permanece com o mesmo volume, mas como a geladeira diminui sua temperatura, consequentemente diminui sua pressão. Na apostila, os alunos responderão os exercícios 7-2 e 7-3. Por fim, será realizada a resolução do exercício de fixação 7-4, juntamente com a análise gráfica.
Transformação Isobárica
Inicialmente será apresentada esta transformação isométrica utilizando o
PHET Propriedades dos gases. No canto superior direito, a opção “pressão”
deverá ser selecionada no campo “Parâmetro constante”. O professor deverá indicar aos alunos onde estão sendo indicados os valores de temperatura e pressão. A apresentação consistirá fornecer e retirar energia do gás, analisando os valores de pressão, temperatura e volume da caixa.
No exemplo de uma transformação isobárica, será retomado o experimento de dilatação do gás no interior de uma garrafa pet de 2L com uma sacola presa na boca (aula 3).
Figura 07: Exemplo transformação isobárica
Caso necessário, o experimento poderá ser realizado novamente. Na apostila, os alunos responderão aos exercícios 7-5 e 7-6. Será realizada a resolução do exercício de fixação 7-7, juntamente com a análise gráfica.
Transformação isotérmica.
Seguindo a mesmas etapas utilizadas anteriormente, a transformação isotérmica será apresentada utilizando o PHET Propriedades dos gases. No canto superior direito, a opção “temperatura” deverá ser selecionada no campo “Parâmetro constante”. O professor deverá indicar aos alunos onde estão sendo indicados os valores de temperatura e pressão. A apresentação consistirá fornecer e retirar energia do gás, analisando os valores de pressão,
temperatura e volume da caixa.
O exemplo apresentado desta transformação foi de uma seringa que comprime o ar lentamente.
Figura 08: Exemplo transformação isotérmica
Disponível em: http://www.dicaki.com.br/como-descongelar-uma-geladeira-corretamente/
O professor deve destacar que a compressão deve ocorrer de forma lenta, pois desta forma o gás não alterará sua temperatura. Caso a seringa seja comprimida rapidamente, será outro tipo de transformação termodinâmica. Os alunos responderão o exercício 7-8 na apostila. Será realizada a resolução do exercício de fixação 7-9, juntamente com a análise gráfica.
Transformação adiabática
Inicialmente será apresentada a transformação adiabática utilizando o
PHET Propriedades dos gases. No canto superior direito, a opção “nenhuma”
deverá ser selecionada no campo “Parâmetro constante”. O professor deverá indicar aos alunos onde estão sendo indicados os valores de temperatura e pressão. pressão, temperatura e volume da caixa.
Os exemplos que podem ser utilizados para ilustrar este tipo de transformação são a queda de um meteoro.
Figura 09: Exemplo transformação adiabática
Na análise gráfica, o professor procurará diferenciar os gráficos da transformação adiabática e isotérmica.
Também poderá ser exibido o vídeo disponível em
https://www.youtube.com/watch?v=tb316VfBUZI exemplificando esta
transformação.
Reconciliação integrativa
Ao final da apresentação das transformações termodinâmicas, o professor poderá apresentar o resumo geral das transformações, para que os alunos possam diferencias as características de cada uma delas.
ENCERRAMENTO
Retomada do tema introdutório – O que são estrelas Cefeidas?
A retomada do tema introdutório iniciará com a pergunta: “O que causa este brilho variável das estrelas cefeidas?”.
Apesar desde fenômeno possuir características muito peculiares, será apresentado um modelo teórico simples, utilizando algumas transformações termodinâmicas para explicá-lo. Para ilustrá-lo há uma animação confeccionada nos slides.
O modelo simplificado consiste em analisar o comportamento da camada de hélio existente ao redor do núcleo. Foram propostas quatro etapas para descrever seu comportamento.
Primeira etapa - A camada de hélio recebe energia do núcleo da estrela, na forma de radiação gama. Isto aumenta a temperatura e pressão, mas mantendo o volume constante desta camada. Temos um exemplo do que ocorre numa transformação isométrica.
Figura 10: Slide Primeira etapa
Segunda etapa - a camada atinge uma determinada pressão suficiente para vencer a pressão das camadas externas de gases. Assim, ela expande, aumentando seu volume e temperatura, mas mantendo sua pressão constante. Temos então o exemplo de uma transformação isobárica.
Figura 11: Slide Segunda etapa
Terceira etapa - A camada deixa de expandir porque seus gases deixam de absorver energia do núcleo. Ela manterá o volume inalterado, mas diminuirá sua pressão e temperatura. Teremos novamente uma transformação isométrica.
Figura 12: Slide terceira etapa
Quarta etapa – Após esfriar, camada de hélio começa a ser comprimida pelas camadas de gases externos. A temperatura começará a aumentar, o volume diminuirá, mas a pressão permanece constante. Temos novamente uma transformação isobárica.
Figura 13: Slide quarta etapa
AVALIAÇÃO
Exercícios de fixação
Os alunos responderão os exercícios de transformações termodinâmicas existentes em suas apostilas.
Mapas conceituais
No final da apostila dos alunos há uma tarefa, que consiste na elaboração de um mapa conceitual, utilizando os conceitos vistos nesta aula. Para facilitar a elaboração, alguns conceitos foram sugeridos.
LINKS PARA CONSULTA Estrelas Cefeidas
http://astro.if.ufrgs.br/estrelas/variaveis.htm
Galáxias
