IDENTIFICANDO AS CONCEPÇÕES NÃO CIENTÍFICAS QUE DIFICULTAM A COMPREENSÃO DO FENÔMENO DE MUDANÇA DE FASE

## INDENTIFICANDO AS CONCEPÇÕES NÃO CIENTÍFICAS QUE DIFICULTAM A COMPREENSÃO DO FENÔMENO DE MUDANÇA DE FASE

## INDENTIFY THE NAIVE CONCEPTS THAT HAMPER THE UNDERSTANDING OF PHASE CHANGE PRHENOMENON

Wanderley Paulo Gonçalves Junior 1 , Marta Feijó Barroso 2

1 Universidade Federal do Rio de Janeiro / Colégio de Aplicação, wpgjunior@gmail.com

2 Universidade Federal do Rio de Janeiro / Instituto de Física, marta@if.ufrj.br

## Resumo

Resultados de trabalhos de pesquisa na área de ensino de física apontam que muitos estudantes apresentam um entendimento equivocado ou não científico, sobre conceitos introdutórios de física térmica, mesmo após terem passado pela educação formal. Com a finalidade de se avaliar o que esses alunos pensam em relação a esses conceitos, foi realizada a aplicação de um teste padronizado a alunos brasileiros em várias idades e série. Esse instrumento foi testado, validado e aplicado na Austrália por Yeo e Zadnik (Yeo e Zadnik, 2001) a estudantes daquele país. Esse questionário é composto por 26 questões conceituais de caráter qualitativo, traduzido para o português e foi aplicado a 433 estudantes do ensino , médio de duas escolas do Estado do Rio de Janeiro. Os resultados obtidos nesse estudo apontaram para a não compreensão, por parte de muitos alunos, do conceito de equilíbrio térmico e a associação da alteração de estado físico da matéria exclusivamente à temperatura de mudança de fase, sem a compreensão da necessidade de transferência de calor para a ocorrência desse fenômeno.

Palavras-chave : física térmica, equilíbrio térmico, mudança de fase.

## Abstract

Results of research in the area of physics education indicate that many students have a mistaken or naive understanding on introductory concepts of thermal physics, even after they have gone through formal education. In order to assess what these students think in relation to these concepts, the application of a standardized test Brazilian students at various ages and grade was performed. This instrument has been tested, validated and applied in Australia by Yeo and Zadnik (Yeo and Zadnik , 2001) students in that country . This questionnaire consists of 26 qualitative conceptual questions, translated into Portuguese and was applied to 433 high school students from two schools in the state of Rio de Janeiro. The results of this study indicate the lack of understanding on the part of many students, the concept of thermal equilibrium and the association of changes in physical state of matter exclusively to the temperature of phase change , without understanding the need for heat transfer to the this phenomenon.

Keywords : thermal physics, thermal equilibrium, phase change.

## Introdução

A identificação dos conceitos não científicos presentes na estrutura cognitiva dos alunos das mais diversas faixas etárias tem sido foco de estudos ao longo de vários anos [Arons, 1997].

No tema de física térmica encontra-se [Viennot, 1998; Arons, 1997] estudos que estão relacionados aos conceitos de calor (calor é uma substância, não é uma forma de energia, calor e frio são diferentes, calor e temperatura são a mesma coisa, calor não é algo mensurável), de temperatura (temperatura é uma forma de calor, a temperatura pode ser determinada pelo toque com a pele, as percepções de frio e calor não estão relacionadas à transferência de calor, um corpo frio não pode conter calor, a maior temperatura que uma substância pode atingir é a sua temperatura de ebulição), das mudanças de temperatura e transferência de calor (por exemplo, fornecer calor sempre implica em aumentar a temperatura, o calor sobe, a temperatura pode ser transferida, objetos que estão em contato não atingem necessariamente uma temperatura de equilíbrio), e às propriedades térmicas dos materiais (a temperatura é uma propriedade do material ou do objeto, o ponto de ebulição da água é exclusivamente 100º C, vapor de água está sempre a mais de 100º C, entre outras).

A construção de materiais didáticos e a elaboração de estratégias para superar as dificuldades de compreensão nesses tópicos exigem mecanismos que sejam capazes de avaliar essas atividades. Nesse contexto torna-se muito conveniente a utilização de testes padronizados para avaliar a aprendizagem dos alunos [Gonçalves Jr e Barroso, 2011].

Neste artigo analisa-se as concepções introdutórias de física térmica de 433 estudantes de duas escolas do Rio de Janeiro, a partir da aplicação de um questionário que foi criado, testado, validado e aplicado a estudantes australianos por Yeo e Zadnik [Yeo e Zadnik, 2001].

## Cenário da Pesquisa

O teste foi aplicado no ano de 2009 em turmas da 1ª, 2ª e 3ª séries de duas escolas da rede privada do ensino médio do estado do Rio de Janeiro. Essas duas escolas tem, como público predominante, estudantes de classe média que desenvolvem como atividade principal seus estudos. Nesses grupos foram avaliados 433 alunos no total, sendo 41% destes estudantes da 1ª série do ensino médio, , dentre os quais 26% não haviam estudado anteriormente, em ambiente escolar, o tópico de física térmica. Os alunos da segunda série representavam 30% do total de estudantes avaliados, e os 29% restantes pertenciam à terceira série, tendo ambos os grupos sido expostos à discussão anterior dos conteúdos. Os estudantes da 3ª série, em particular, viram os conceitos inquiridos pelo menos duas vezes. Os quadros a seguir apresentam informações gerais sobre a aplicação dos questionários.

Quadro 1: Distribuição dos questionários

Quadro 2: Informação sobre o ensino formal do tópico anteriormente à aplicação do questionário

Momentos antes da aplicação, foram lidas e explicadas aos alunos algumas orientações para o teste. Essas orientações informavam que as situações propostas no questionário ocorriam na cozinha da cantina do colégio da escola a qual pertenciam, ou seja, que todas as situações ocorridas neste ambiente estariam sujeitas a uma pressão atmosférica de aproximadamente 1 atm. Ressaltou-se, também, que para cada questão eles deveriam escolher a resposta que estivesse mais próxima de seu entendimento. Os alunos participaram voluntariamente desse processo e não foi lhes dada pontuação alguma pela resposta ao questionário, além de ter sido explicitado aos mesmos o porquê dessa atividade.

## Resultados

Primeiramente, é importante ressaltar que a maior parte dos respondentes (cerca de 77% dos alunos) ignoram o efeito da pressão atmosférica sobre a mudança de estado de agregação da matéria. Isso pode ser observado nas repostas obtidas na questão 8, apresentada no quadro 3, onde apenas 22% dos alunos optam pela resposta que revela a compreensão desse fenômeno.

Quadro 3: Percentual de respostas dos alunos para questão 8

Questão

8

## Texto Questão

Rafael acredita que deve usar água fervendo para fazer uma xícara de chá. Ele diz

para seus amigos: 'Eu não poderia fazer chá se estivesse acampando numa

montanha alta, porque a água não ferve em grandes altitudes.' Com quem você

concorda?

Ainda, nesta questão pode-se observar que cerca de 45% dos alunos optaram pelas alternativas 'b' e 'd' que associa a mudança de fase da água, de líquido para vapor d'água, exclusivamente à temperatura de ebulição da substância (ponto de ebulição).

Esse fato é reforçado quando se analisa as repostas dos alunos para a questão 2, como observado no quadro 4.

Quadro 4: Percentual de respostas dos alunos para a questão 2

Cerca de 56% dos alunos atribuem, para a temperatura da água numa mistura de gelo e água, praticamente em equilíbrio térmico, um valor maior do que 0 ºC. Este fato revela a concepção desses estudantes de que a 0 ºC não pode existir água no estado líquido, ou seja, ao atingir essa temperatura, a água 'deveria' se transformar em gelo. Neste ponto há indícios, então, de que o estudante ignora a necessidade de haver transferência de calor ('perda' de calor da água no caso da solidificação) para que haja a mudança de estado físico, não bastando que a substância simplesmente atinja sua temperatura de mudança de fase em uma determinada pressão.

Assim como evidenciado na questão 2, anteriormente analisada, a questão 6 do teste revela a não compreensão, por parte dos estudantes, do conceito de equilíbrio térmico. Como se pode observar no quadro 5, cerca de 57% dos respondentes atribuem à temperatura do vapor, que se 'formou' acima da água em ebulição, um valor superior a 100 ºC, indicando que nessa temperatura (100 ºC) não pode haver vapor, mas somente água no estado líquido.

Quadro 5: Percentual de respostas dos alunos para questão 6

Segundo Viennot (Viennot, 1998) o fato da temperatura se manter constante durante a mudança de fase não é conhecida pelos estudantes antes do ensino formal e causa surpresa nos mesmos quando observado. Ela comenta que após o estudo formal desse fenômeno, essa questão parece ser amplamente aceita pelos alunos.

Quando observa-se a questão 4 do teste, percebe-se que cerca de 54% dos alunos que optaram pelas alternativas 'b' e 'd' (ambas indicando que o aluno sabe que a ebulição da água na situação apresentada ocorre aproximadamente a 100 ºC)

parecem entender que durante a fervura da água a temperatura do conjunto 'vapor + água' permanecerá constante. No entanto, ao se analisar as respostas dos alunos que receberam instrução formal sobre o fenômeno, apresentadas na questão 5, percebe-se que cerca de 56% dos alunos, em média, seja após a instrução ou após a instrução com repetição, demonstram não ter compreendido essa questão.

Quadro 6: Percentual de respostas dos alunos para questão 4

Quadro 7: Percentual de respostas dos alunos para questão 5

## Conclusão

A utilização de questionários conceituais para análise de concepções não científicas dos estudantes se mostra como uma importante ferramenta para tomada de ações no processo de ensino e aprendizagem, não só corroborando com as pesquisas já existentes, como também revelando novas concepções não científicas dos grupos avaliados.

Dentre os pontos levantados, observa-se que independentemente da idade , e de ter ou não recebido educação formal do conteúdo de física térmica, cerca de 77% dos estudantes que responderam o questionário analisado neste artigo ignoram o fato de que o fenômeno de mudança de fase, como por exemplo, a ebulição da água, pode ocorrer em diversas temperaturas, dependo da pressão a que esse líquido estiver submetido.

A não compreensão do fenômeno de equilíbrio térmico e a necessidade de transferência de calor para que haja a mudança de estado físico também aparecem nessa análise como obstáculos a aprendizagem do fenômeno de mudança de fase. Aparentemente, os alunos associam o ferver ou o congelamento da água às temperaturas de ebulição e solidificação dessa substância, sem no entanto levar em ,

conta que não basta atingir essas temperaturas, mas também há a necessidade de continuar 'recebendo' ou 'perdendo' calor, após atingi-las, para que ocorra a mudança de fase.

Outro ponto também analisado é que, mesmo recebendo educação formal sobre o fenômeno, grande parte dos estudantes continua a acreditar que o 'ceder' ou 'receber' calor implica na mudança de temperatura do corpo, mesmo quando essa transferência ocorre durante a mudança de fase, ou seja, cerca de 56% dos respondentes que já haviam estudado o fenômeno em questão não se apropriaram do conhecimento que durante a mudança de fase a temperatura da substância , , permanece constante.

Finalmente, ressalta-se que, apesar dos fenômenos térmicos fazerem parte do cotidiano dos alunos, a formalização desses, no que se diz respeito às conclusões anteriormente citadas, se dá na escola durante a instrução formal. Se esses estudantes apresentam concepções não científicas sobre os assuntos aqui abordados, esse fato nos dá indícios que essas concepções estão sendo formadas dentro da escola. Portanto, esse trabalho encaminha a pesquisa realizada para novos estudos e análises de como esses assuntos são abordados dentro da instrução formal da escola desde as séries iniciais.

## Referências Bibliográficas

ARONS, ARNOLD B. Teaching introductory physics . New York: John Willey & Sons, 1997.

GONÇALVES JR, W.P.; BARROSO, M. F. O que os alunos entendem a respeito de conceitos básicos de física térmica . In: XIX Simpósio Nacional de Ensino de Física, 2011, Manaus.

GONÇALVES JUNIOR, W.P. Avaliações em Larga Escala e o Professor de Física . 2012. 220 f. Dissertação de Mestrado do Programa de Ensino de Física - Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 2012. Disponível em www.if.ufrj.br/~pef.

VIENNOT, L. Experimental Facts and Ways of Reasoning in Thermodynamics: Learners' Common Approach. In: TIBERGHIEN, Andrée; JOSSEM, E. Leonard; BAROJAS, Jorge. Connecting Research in Physics Education with Teacher Education. International Commission on Physics Education, 1998. Disponível em: <http://www.physics.ohio-state.edu/~jossem/ ICPE/C3.html> Acesso em: 27 nov. 2010.

YEO, Shelley; ZADNIK, Marjan. , Introductory Thermal Concept Evaluation: Assessing Students' Understanding . The Physics Teacher , v. 39, p. 496-504, novembro, 2001.