O ENSINO DA MUDANÇA DE FASE: UMA ABORDAGEM INTERDISCIPLINAR ENTRE A FISICA E O MEIO AMBIENTE

## RESUMO

Nossa proposta consiste em apresentar a interdisciplinaridade entre a Fisica e o estudo do Meio Ambiente de maneira didática e objetiva, conforme diretrizes dos PCN e PCN +, enfatizando o Meio Ambiente como tema transversal no Ensino Fundamental e como disciplina curricular do Ensino Médio. Uma das abordagens baseia-se no uso indevido dos conceitos envolvendo o significado entre gás e vapor, principalmente em relação a substancia água, visto que esta é a única que se apresenta nos estados sólido, liquido e gasoso sob as condições normais de temperatura e pressão (CNTP) na natureza, mas que boa parte da literatura disponível não faz distinção entre ambas. Propomos discutir que gás é a substancia gasosa cuja temperatura se encontra acima de um nível térmico que é específico para cada substancia, chamada temperatura crítica, e não pode passar ao estado líquido por meio de variação de pressão, o que caracteriza um processo irreversível. Vapor é a substancia gasosa que se encontra abaixo da temperatura crítica e pode condensar-se por simples compressão, o que caracteriza um processo reversível.

Outro assunto relevante e polêmico, tanto no ensinar quanto no aprender, diz respeito à conservação da energia no processo de mudança de fase que ocorre dentro do ciclo hidrológico e que na Fisica é visto como mudança de fase e calor latente de transformação, mas que de modo geral, é interpretado como uma simples mudança climática. Na verdade, o que temos é uma mudança climática que se dá em função das trocas de energia térmica (absorvida e liberada) que ocorrem por ocasião da energia transferida nas mudanças de fase da água, a substancia que pode ser confundida com a origem da vida.

Palavras-chave: Ensino de Física, Meio Ambiente, Gás, Vapor, Energia Térmica, Interdisciplinaridade.

## 1. INTRODUÇAO FÍSICA PROPOSTA

Sabe-se da importância do meio ambiente para o homem e conseqüentemente sua compreensão é fundamental desde a mais tenra idade. Para o jovem em geral e para as novas gerações que já se formaram, a consciência de manter a água (em especial) e todo o meio ambiente faz-se a mais urgente possível. O dia do meio ambiente já foi criado para que mundialmente as políticas voltem-se à conservação da vida em nosso planeta. O dia da água traz novos projetos para as escolas de todos os níveis. Seu estudo engloba não somente as Ciências Biológicas, mas sabemos o quanto é importante a relação com a Hidrostática e o estudo dos fenômenos térmicos no plano curricular da Física. Muitas escolas estaduais já incluem em sua grade a disciplina Meio Ambiente, normalmente ministrada por um professor(a) de Biologia. Porém, temos o enfoque deste trabalho voltado justamente para mostrar que este tema é interdisciplinar e/ou transversal, e que qualquer disciplina da grade do Ensino Médio, e mesmo do Ensino Fundamental, pode guiar a Escola em projetos que veiculem como título e conscientização a água e o meio ambiente.

Os PCN+ do Ministério da educação nos apresentam à pág. 66 uma seção chamada 'Relações entre conhecimentos disciplinares, interdisciplinares e interáreas' . A proposta é articular, integrar as teorias e os fenômenos entre as várias ciências e áreas do conhecimento. A última delas nos remete ao seguinte texto: 'Reconhecer, na análise de um mesmo fenômeno, as características de cada ciência, de

## O ENSINO DA MUDANÇA DE FASE: UMA ABORDAGEM INTERDISCIPLINAR ENTRE A FISICA E O MEIO AMBIENTE

da Silva, C. E. a ; email: Cláudio@uerj.br Marques, A. J. ; email: adiliojm@yahoo.com.br b

a Universidade do Estado do Rio de Janeiro

b Colégio Santo Inácio; Colégio Estadual Antonio Houaiss

maneira a adquirir uma visão mais articulada dos fenômenos. Por exemplo, no ciclo da água , compreender que a Física releva os aspectos das transformações de estado e processos de circulação (grifo nosso), enquanto a Química trata das diferentes reações e do papel das soluções, enquanto a Biologia analisa a influência nas cadeias alimentares e o uso do sol'.

Sabemos que a água é uma parte essencial do nosso planeta. Ela cobre 70% da superfície da Terra. O vapor d'água apresenta-se sem odor, sem cor, e se mistura livremente com os outros gases da atmosfera terrestre, formando-a juntamente com outros gases em percentuais bem menores. Diferente do oxigênio e do nitrogênio, os dois mais abundantes componentes da atm osfera, o vapor d'água pode mudar de um estado para outro na temperatura e pressão experimentada próximo da superfície. E por causa destas 'habilidades', que faz com que a água deixe os oceanos como vapor de água e retorne outra vez como um líquido, é que existe o ciclo hidrológico. Um exemplo é as correntes de convecção geradas pelo aquecimento desigual da terra e da água, fazendo com que durante o dia o ar aquecido próximo ao solo se eleve e o ar mais frio logo acima da água mova-se, a fim de substituí-lo. Porém, durante a noite o sentido do fluxo do ar inverte-se porque neste período a água está mais quente do que a terra.

A qualidade especial da água vem da forma única de sua molécula. Cada molécula contém dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, arranjado tais que um lado da molécula (mais próximo do hidrogênio) está positivamente carregado enquanto que o outro lado (mais próximo do oxigênio) está negativamente carregado. Se duas moléculas se aproximam, o lado positivo de uma é atraído pelo lado negativo da outra, fazendo com que as moléculas se mantenham unidas. Este simples fato explica algumas características tais como capacidade térmica, alta tensão de superfície, coesão, adesão, e outras que faz a água tão importante para a biosfera da Terra. Quando a água está no estado sólido (gelo), as 1 moléculas da água estão arrumadas suficientemente próximas evitando a mudança de forma. O gelo tem um padrão muito regular com suas moléculas ligadas, numa distribuição cristalina. Estes cristais apresentam regiões abertas tornando o gelo menos denso do que a água líquida, por isto o gelo flutua na água. O gelo se forma quando a temperatura está abaixo do congelamento (0 C). Mas se outros ° tipos de moléculas ou íons são adicionados, a formação de cristais é interrompida e a temperatura do ponto de congelamento torna-se mais baixa. Temos assim mencionado o primeiro estado da água.

Quando o gelo é aquecido acima do congelamento, este se funde e torna-se água líquida. Como um líquido, as forças atrativas entre as moléculas enfraquecem e moléculas individuais podem começar a se mover em torno uma das outras, tomando a forma do seu recipiente. Este é conhecido como o segundo estado da água.

O terceiro estado é o gasoso (vapor d'água). Neste estado, as moléculas da ág ua movem -se muito rapidamente e não estão conjuntamente ligadas, aumentando assim o espaçamento entre as moléculas, e contribuindo para que na fase gasosa a água ocupe um maior volume. Contudo, não podemos ver a água nessa condição, podemos apenas senti-la num dia quente e úmido. Comumente a água ferve a temperatura de 100 C, formando vapor d'água. Muitas pessoas acreditam que a pluma ° visível de um bule com água fervente seja vapor d'água. Entretanto, o suposto vapor consiste de gotículas de água muito pequenas, suspensas no ar, enquanto que o vapor d'água é o gás invisível que resulta quando a água evapora, como citado acima na questão das correntes de convecção.

## 2. ENERGIA

Toda essa discussão sobre mudança de fase só é possível acontecer quando há variação de temperatura entre dois ou mais sistemas. O fluxo de calor resultante da diferença de temperatura entre estes sistemas ocorrerá sempre do corpo de maior para o de menor temperatura. Por exemplo, quando o

calor é aplicado a um copo de água com gelo ( 0 C), a temperatura permanece constante até que todo o ° gelo seja fundido. Para onde foi o calor? Neste caso, a energia foi usada para desfazer a estrutura cristalina interna dos cubos de gelo e fazer com que eles se fundam. Pelo fato desta energia do calor ou energia térmica não estar associada com uma mudança de temperatura, é geralmente referida como calor latente (significando calor oculto). A energia é absorvida quando a mudança de fase ocorre neste sentido: sólido → líquido → gás. E a energia é liberada quando a mudança ocorre em sentido contrário, ou seja: gás → l í q u i d o → sólido.

Como modelo didático proposto, utilizamos o diagrama de fase abaixo para descrever as mudanças de fase da água, assim como as trocas de calor associadas ao processo de absorção e liberação de energia. Neste diagrama a fase sólida é aqui representada por uma estrutura cristalina (gelo). Na fase líquida esta estrutura foi desarranjada pelo aumento da energia térmica absorvida. Na fase gasosa o desarranjo da estrutura cristal ina é ainda maior com o aumento da absorção de energia térmica.

A água circula eternamente através da atmosfera, oceanos, terra e na vida do planeta, assumindo cada estado físico em um momento ou outro. Os processos que envolvem uma mudança de estado requerem que o calor seja absorvido ou liberado. A energia do calor envolvido é freqüentemente medida em calorias nos meios acadêmicos não físicos. 2

FIGURA 1: A mudança de fase.

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## 3. DIFERENÇA ENTRE GASES E VAPORES

De forma sucinta, a diferença entre gás e vapor conduz à análise da transição dos estados lí q u i d o-gasoso e o que denominamos de ponto crítico. É muito freqüente encontrarmos em nossa literatura o termo estado gasoso da água, quando na verdade estamos nos referindo ao vapor d'água, por esta razão estamos aqui fazendo a distinção entre gás e vapor.

Há uma pressão de vapor correspondente para cada temperatura até que o ponto crítico da substância seja alcançado. Por temperatura crítica nos referimos a temperatura máxima a que uma substancia pode atingir para permanecer como vapor, podendo assim tornar reversível o seu processo de mudança de fase. A temperaturas acima deste ponto crítico, somente a fase gasosa pode existir, de tal forma que o termo pressão de vapor não tem significado. No ponto crítico não se consegue mais se distinguir entre o líquido e o vapor da substancia. Abaixo da temperatura crítica, ao se aumentar a pressão de uma substancia no estado gasoso ela se condensa a partir de uma determinada pressão e coexistem no sistema duas fases: uma liquida e uma vapor. No entanto acima da temperatura crítica, por maior que seja a pressão aplicada, a substância nunca se condensará e, portanto, não haverá a coexistência de duas fases em equilíbrio. Neste caso, temos um gás. Logo, em geral, conhecemos os estados da água como sólido, líquido e vapor d'água representando seu estado gasoso. Na verdade, não é comum encontrarmos a água na condição gasosa na natureza. Isto só poderia acontecer a uma pressão de 218,3 atm e a uma temperatura de 374,25ºC.

## 4. REFERENCIAS

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