Física - Curva de aquecimento da água

Curva de aquecimento da água

Objetivo

Verificar o que ocorre com a água durante seu aquecimento e determinar, experimentalmente, uma etapa de sua curva de aquecimento. Trabalhar com questões abertas e investigação, de maneira que o aluno possa levantar hipóteses e testá-las.

Ponto de partida

Pergunta aberta sobre o que acontece com a água durante seu aquecimento.

Comentário

Este plano foi elaborado para um total de seis aulas. É fundamental enfatizar, no início das atividades, a palavra durante, para que os alunos não levantem hipóteses apenas sobre o que acontece na fase final do aquecimento.

Estratégias

1ª aula:

1) Iniciar a aula com a questão aberta: "O que acontece com a água durante seu aquecimento?". Em seguida, dar um tempo para que os alunos pensem a respeito e discutam entre si.

2) Anotar na lousa as hipóteses levantadas pelos alunos.

3) Por se tratar de uma questão aberta, o professor deve ajudar os alunos na escolha de quais hipóteses podem ou devem ser testadas, destacando as hipóteses que tratam da variação da temperatura, da temperatura final, da pressão, da influência do ambiente e de outros itens, como o tempo de aquecimento e o tipo de material em que a água será aquecida.

4) Elaborar com os alunos uma estratégia sobre como verificar ou não a validade das hipóteses.

5) Levantar os materiais que serão utilizados na verificação: água, béquer, termômetro, fonte de calor (sugestão: lamparina) e cronômetro (para verificar o tempo de aquecimento).

6) Organizar a sala em grupos (quatro integrantes por grupo), para que cada grupo verifique determinada hipótese. Por exemplo, um grupo pode fazer com menor quantidade de água, outro com maior, mas sempre tomando como ponto de partida um grupo considerado padrão. Outros elementos podem variar, como a fonte de calor, a temperatura inicial da água e o sistema de vedação do recipiente em que a água será aquecida (pode-se usar um erlenmeyer para diminuir a área por onde o vapor escapa, aumentando a pressão sobre o líquido que está sendo aquecido).

2ª aula:

1) Organizar a sala ou o laboratório para realização da atividade prática.

2) Acompanhar a montagem do experimento e discutir com os alunos alguns fatores importantes, como: a) posição do termômetro no recipiente, pois ele não poderá ser retirado durante o aquecimento; b) estabelecimento de um padrão de intervalos de tempo para anotar os valores das temperaturas (que serão utilizados, posteriormente, para a elaboração de tabelas e gráficos); c) cuidados com as fontes de calor, como verificar se o extintor está em condições de uso. No caso de se utilizar lamparinas, usar álcool e ter um pano úmido ao lado de cada grupo.

3) A tomada de dados deve ser feita de acordo com a quantidade de água utilizada e com o tempo de duração da aula. Uma sugestão é anotar os valores a cada três minutos.

4) Os alunos devem anotar tudo que acharem importante ou curioso.

3ª aula:

1) A partir das anotações feitas pelos alunos, oriente-os para que elaborem uma tabela, além de gráficos de temperatura x tempo - e também de tempo por temperatura.

2) Durante a elaboração do gráfico, o professor deve trabalhar o conceito de reta média e mostrar que, em determinado momento, a temperatura praticamente se estabiliza. Esse momento pode ser muito interessante para o professor introduzir os conceitos de ajuste de reta e de erros experimentais.

4ª aula:

1) Discutir o patamar obtido no gráfico e por qual razão isso ocorre. Quais os fatores que influenciam? No caso de a aula não ser realizada em uma região que esteja no nível do mar, discutir a influência da pressão no ponto de ebulição (destacar o valor que aparece nos livros e o encontrado na prática, e quais os fatores que influenciam na diferença entre esses valores). Destacar que houve um acréscimo de temperatura e que, no momento da fervura, a temperatura praticamente se estabiliza.

2) Deixar claro aos alunos que o tempo foi uma forma indireta de medirmos a temperatura, já que quanto maior o tempo de exposição a uma fonte de calor, maior será a energia fornecida à água.

3) Discutir outras curiosidades que os alunos tenham observado durante o aquecimento da água.

5ª aula:

1) A partir dos gráficos, chegar a uma função matemática. Caso exista necessidade, o professor pode trabalhar, a partir dos gráficos, a noção de equação de reta.

2) Partindo do gráfico de tempo por temperatura podemos chegar à equação ∆t∕∆θ = C, onde ∆t é a variação do tempo, ∆θ representa a variação da temperatura e C é uma constante. Como o tempo está diretamente relacionado à quantidade de calor (Q), podemos escrever: ∆Q∕∆θ = C, que pode ser escrita também da seguinte forma: ∆Q = C. ∆θ, que é a equação da calorimetria.

6ª aula:

1) Tempo para os alunos terminarem os trabalhos com gráficos e equações, caso haja necessidade.

2) Discussão e sistematização dos assuntos trabalhados.

Sugestões

1) A partir deste ponto o professor pode discutir o conceito de Capacidade Térmica e sua relação matemática: C = Q∕∆θ - e também a idéia de calor específico C = m. c, onde C representa a Capacidade Térmica de um corpo, m a massa e c o calor específico.

2) Também a partir desta atividade o professor pode introduzir o conceito de calorimetria.

3) Para sistematizar a aula o professor pode sugerir a leitura do texto Fusão, solidificação, vaporização, sublimação e condensação.

Bibliografia

Carvalho, A. M. P.; Santos, E.; Azevedo, M. C.; Date, M.; Fujii, S. & Nascimento, V. B. Termodinâmica: um ensino por investigação. São Paulo, Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo. 1999.