CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DE TERMODINÂMICA NO ENSINO SECUNDÁRIO, ASSOCIADAS À LEITURA DOS MANUAIS DE FABRICANTES DE REFRIGERADORES

## CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS SOBRE TERMODINÂMICA NO ENSINO MÉDIO, ASSOCIADAS À LEITURA DOS MANUAIS DE FABRICANTES DE REFRIGERADORES

Mário Sérgio Teixeira de Freitas , Rodrigo Braz Martins 1 2

- 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Departamento de Física (DAFIS), Grupo de Estudos e Pesquisas em Ensino de Física (GEPEF), msergio58@yahoo.com.br

## Resumo

Este artigo dá sequência a uma série de trabalhos desenvolvidos por um grupo de pesquisadores em Ensino de Física, que aqui se propõem a investigar os resultados da adoção de uma atividade didática complementar ao ensino de Termodinâmica para o nível médio da educação básica. Tal atividade envolveu a contextualização de diversos fenômenos térmicos em um exemplo doméstico com o qual a grande maioria dos estudantes tem familiaridade: o refrigerador. A atividade é desenvolvida adotando uma linha construtivista, partindo de concepções alternativas dos estudantes a respeito da procedência de recomendações populares sobre a utilização correta dos refrigeradores domésticos. Para isso, os estudantes foram estimulados a realizar uma pesquisa nos manuais de refrigeradores para posteriormente realizar a integração com conteúdos básicos de Termodinâmica. As etapas da metodologia adotada foram idealizadas pelos próprios autores. Inicialmente, foram apresentadas aos estudantes cinco frases de uso popular sobre o uso correto das geladeiras, para que opinassem sobre sua veracidade com base em concepções prévias. Na sequência os estudantes confrontaram estas frases com os textos dos manuais de refrigeradores, mas ainda sem envolver a fundamentação científica que justificaria as recomendações. Por último, os conceitos teóricos estudados foram contextualizados nas cinco frases. A julgar por uma primeira aplicação, as etapas da atividade indicaram ter resultados positivos em termos do interesse geral das turmas envolvidas, e também de um bom desempenho individual por parte dos estudantes nas avaliações realizadas. Consideramos que a amostragem de que dispomos até o momento permite documentar alguns resultados qualitativos, porém o conteúdo do trabalho deve ser mais extensamente discutido antes de dar seguimento às investigações, visando a obtenção de conclusões melhor consolidadas.

Palavras-chave : Concepções alternativas, Termodinâmica, Refrigeradores.

## Introdução

A iniciativa deste trabalho foi motivada pelo êxito obtido em investigações anteriores desenvolvidas pelo Grupo de Estudos e Pesquisas em Ensino de Física (GEPEF) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), ao analisarmos os resultados de estratégias idealizadas para solucionar problemas instrucionais identificados no Ensino de Física para cursos de graduação e pós-graduação. Tais esforços, apoiados em metodologias construtivistas [LINNEL, 1990; MERCER, 1995; MERCER, 2001; CARVALHO, 2004], vêm sendo discutidos em eventos acadêmicos nos quais há espaço para a área de Ensino [FREITAS, 2005; FREITAS et al. , 2007; BEZERRA JR. et al. , 2008; FREITAS et al. , 2009; FREITAS e FLORCZAK, 2009]. Um dos principais aspectos focados é a contextualização dos fundamentos

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científicos no futuro universo de ação profissional do estudante, e mesmo de seu cotidiano, conforme o conceito de prática social de referência [ALVES FILHO et al. , 2005]. Por outro lado, há a preocupação permanente de encorajar os estudantes à participação ativa no ambiente de aula, na forma de atividades autênticas [REEVES et al. , 2002], assim como no ambiente extraclasse, como atividades práticas supervisionadas [UTFPR, 2009], e também, de manter um apelo à criatividade e à imaginação do estudante [ALVES FILHO et al. , 2005]. Neste trabalho, as experiências anteriores do grupo com o Ensino de Física para o nível superior foram transportadas, com algumas adaptações que se fizeram necessárias, para turmas da 2 série do nível médio. a

A atividade implementada foi idealizada para o conteúdo de Termodinâmica, no contexto de turmas de diferentes cursos de ensino técnico integrado da UTFPR em Curitiba-PR, tais como Eletrônica, Mecânica, Gestão de Empresas e Segurança do Trabalho [UTFPR, 2007]. Tomando o conteúdo teórico sobre ciclos de refrigeração, foram integrados diversos conceitos estudados anteriormente na unidade curricular, tais como dilatação térmica, formas de transferência de calor, mudança de fase e segunda lei da Termodinâmica. Consultando alguns resultados de pesquisas recentes relacionadas a este assunto e publicados por outros autores [CARDENAS e LOZANO, 1997; GRINGS et al. , 2006; SILVA et al. , 2008], percebemos que a discussão de tais conceitos poderia ser estendida ao universo das concepções alternativas dos estudantes sobre aspectos técnicos do refrigerador doméstico, uma vez que as leis da Termodinâmica costumam ser mais frequentemente trabalhadas com base em exemplos de máquinas térmicas, tais como motores de combustão interna [OLIVEIRA e DECHOUM, 2003], ou, quando aplicadas a ciclos de refrigeração, abordam modalidades distintas, associadas à termoquímica [FERREIRA, 1999].

Por outro lado, a própria experiência dos docentes do grupo com a prática de ensino permitiu que fossem relacionados conteúdos de algumas perguntas frequentes formuladas por estudantes em ambiente de aulas de Termodinâmica. Entendemos tais perguntas como indicadoras de concepções alternativas, no sentido de estas se mostrarem pouco estruturadas, envolvendo causalidades estritamente lineares, e ainda, serem formuladas com o uso de termos indiferenciados [SANTOS, 1991].

- O objetivo deste artigo é documentar os resultados da adoção de uma atividade inovadora, que aponta para a contribuição na construção de conceitos relacionados à Termodinâmica. Entendemos que a descrição pormenorizada das etapas envolvidas possa despertar o interesse de docentes de outras instituições de ensino médio que, de uma forma ou de outra, se deparam com a problemática concernente a concepções alternativas na aprendizagem da Termodinâmica.

Para que o objetivo exposto anteriormente seja contemplado, a abordagem de conteúdos relacionados à Termodinâmica deu-se por meio de informações existentes em manuais de utilização de refrigeradores domésticos disponíveis na internet. A motivação para o uso deste tipo de material está no fato de que estes manuais costumam incluir uma lista de recomendações acerca do uso correto do refrigerador (principalmente sobre o que não deve ser feito pelo usuário). No entanto, estas recomendações, em sua maioria, não são acompanhadas de uma justificativa de caráter científico, sendo possível perceber que os textos se limitam a

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esclarecer quais poderiam ser as consequências indesejáveis do seu nãocumprimento [ELECTROLUX, 2008; C.A.F., sem data; MULTIBRÁS, sem data].

Identificada essa ausência de discussões de caráter científico nestes manuais e após uma breve revisão de alguns pré-requisitos teóricos abordados no desenvolvimento dessa atividade, será exposta a metodologia adotada, seguida da descrição dos resultados preliminares obtidos, finalizando com a discussão destes no contexto de um planejamento da continuidade do trabalho.

## Fundamentação teórica

- O desenvolvimento da metodologia adotada para este trabalho, descrito na seção seguinte, está fundamentado em alguns conceitos básicos da Termodinâmica, envolvidos diretamente em fenômenos relacionados às instruções de manuseio que constam nos manuais de refrigeradores domésticos [ELECTROLUX, 2008; C.A.F., sem data; MULTIBRÁS, sem data].

De acordo com o princípio fundamental do funcionamento de um refrigerador, em cada ciclo realizado o fluido de trabalho retira uma quantidade de calor QF de um ambiente que se encontra à temperatura mais baixa TF; este calor é somado ao trabalho W introduzido na compressão do fluido, e uma quantidade de calor QQ = W + Qf é rejeitada para um ambiente à temperatura mais alta TQ , sendo a eficiência de um refrigerador caracterizada pela razão QQ/W [HALLIDAY et al. , 2002]. Num regime de fluxo estacionário, as temperaturas TF < TQ são consideradas constantes no tempo, o que exige a presença de uma fonte e de um sumidouro de calor no sistema (os alimentos no interior da geladeira e o ambiente da cozinha, respectivamente). Até que fique estabelecido o fluxo estacionário, ocorre um regime transiente no qual a diferença entre as temperaturas TF e TQ, inicialmente nula, vai aumentando com o tempo. Uma concepção alternativa dos estudantes, frequentemente observada pelos autores em sala de aula, se refere à idéia de manter a geladeira aberta para refrescar o ambiente da cozinha nos dias de verão. A compreensão correta do ciclo de refrigeração permite perceber que o efeito de se manter ligado um refrigerador aberto causaria o efeito oposto, funcionando este como uma fonte de calor na cozinha.

A curva de dilatação volumétrica da água, que relaciona sua massa específica à sua temperatura, mostra um comportamento anômalo quando comparado à maioria das substâncias que se apresentam na fase líquida à temperatura ambiente [HALLIDAY et al. , 2002]: à medida que se reduz a temperatura de uma amostra com massa constante, sua massa específica aumenta de acordo com a redução do volume, até ser atingido um máximo a 4 C; a partir daí o volta a diminuir, sofrendo inclusive uma descontinuidade ao ocorrer a solidificação. Tal comportamento é observado experimentalmente, e justificado na teoria por modelos que levam em conta as vibrações das moléculas, assim como suas interações em nível microscópico na forma de, por exemplo, pontes de hidrogênio [HALLIDAY et al. , 2002]. No contexto dos manuais de refrigeradores, é justamente este o fenômeno apresentado como argumento para não serem colocados recipientes fechados armazenando 'líquidos' no compartimento conhecido como congelador (em termos do ciclo de refrigeração, trata-se do evaporador ): as tensões mecânicas de dilatação verificadas no gelo tenderiam a superar a tensão máxima de

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ruptura do material do recipiente, chegando a fazê-lo quebrar. É interessante observar que, apesar de se tratar de um comportamento que não se verifica para a maioria das substâncias, a recomendação não se refere apenas à água, mas a 'líquidos' em geral. Naturalmente, isso se explica considerando o público alvo a que se destina o manual: os líquidos que se costuma armazenar em refrigeradores domésticos são compostos predominantemente por água. Isso pode estar relacionado à concepção alternativa de que 'os líquidos', em sua acepção geral, aumentam de volume quando congelados. O fenômeno descrito também costuma ser explorado no âmbito de uma discussão interdisciplinar, envolvendo a preservação da fauna e flora em regiões cujos rios e lagos podem ter suas superfícies congeladas durante o inverno [HALLIDAY et al. , 2002].

As três diferentes formas de transferência de calor estão diretamente envolvidas no funcionamento apropriado de um refrigerador. Se o local da cozinha em que o equipamento se encontra instalado recebe insolação direta, ou fica muito próximo do fogão, pode ocorrer uma alta taxa de absorção de radiação infravermelha pela parede externa do refrigerador, provocando seu aquecimento, o que, por sua vez, fará aumentar a taxa de transferência de calor por condução através da parede [HALLIDAY et al ., 2002], dificultando assim a manutenção da temperatura no interior da câmara, e consequentemente forçando o compressor a trabalhar mais do que o recomendado. Por outro lado, no interior da câmara, o evaporador é instalado na parte de cima, para favorecer a criação de correntes de convecção natural: o ar recentemente resfriado tende a descer, deslocando para cima o ar que absorveu calor dos alimentos na parte de baixo, o qual, por sua vez, cede calor ao evaporador, reiniciando em seguida o processo. Tendo em vista a necessidade da convecção no interior da câmara, as prateleiras costumam ser compostas por grades. Observa-se que os manuais recomendam que essas prateleiras não sejam forradas por plástico ou outro material que impeça a circulação de ar frio [C.A.F., sem data].

Uma dúvida frequente, registrada pelos autores na sua experiência em ambiente de aula e em avaliações, diz respeito ao condensador , componente do ciclo de refrigeração que consiste na serpentina externa às paredes da câmara, na parte traseira do equipamento, cuja função é rejeitar para a cozinha o calor do fluido de trabalho [HALLIDAY et al , 2002]. Por ocasião da apresentação das etapas do ciclo termodinâmico, é comum o estudante se mostrar confuso, referindo-se a esta serpentina com o termo referente à serpentina interna, o evaporador . Investigando informalmente as concepções prévias dos estudantes, identificamos que a origem da dúvida está ligada ao hábito de se colocar roupas e calçados úmidos na serpentina aquecida, a fim de que sua umidade evapore (prática proibida pelos manuais, com a suposta argumentação de que 'prejudica seu funcionamento e aumenta o consumo') [ELECTROLUX, 2008]. Ficando devidamente esclarecido que os termos adotados para o ciclo não se referem a fluidos que estejam em contato externo com a serpentina, mas sim ao fluido de trabalho , que circula em seu interior, a confusão pode ser minimizada.

A seguir, descrevemos a metodologia adotada para desenvolver a atividade.

## Metodologia

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A atividade complementar proposta neste trabalho foi aplicada no contexto de 4 turmas da segunda série na UTFPR, totalizando 160 estudantes dos cursos técnicos de Eletrônica, Mecânica, Gestão de Empresas, e Segurança do Trabalho [UTFPR, 2007]. A atividade foi planejada tendo em vista a consolidação, principalmente em termos qualitativos, dos conteúdos de Termodinâmica.

Com base na experiência didática dos autores, foram listadas várias dúvidas frequentemente manifestadas por estudantes, incluindo algumas que haviam sido discutidas exclusivamente no âmbito do ensino superior, pois julgamos que estas igualmente expressam o conhecimento popular sobre o uso de refrigeradores. Em seguida identificamos, em cada uma destas dúvidas, quais os principais tópicos da teoria estudada que proveriam os conteúdos para seu devido esclarecimento. Desta maneira, classificamos os conceitos envolvidos nestas perguntas, com o objetivo de articular estas concepções com as informações contidas nos manuais de refrigeradores. Tendo em vista uma discussão posterior, esse procedimento permitiu que fossem contextualizados os conceitos científicos, ainda que qualitativamente. Isso nos levou à seleção de cinco frases de referência , que se encontram reunidas no Quadro 1.

Foi estabelecido pelos autores que as cinco frases do Quadro 1 seriam exploradas paralelamente ao longo da aplicação da atividade, porém cada uma delas sendo desenvolvida em três etapas distintas. Desta forma, foram elaborados três instrumentos sequenciais de aprendizagem centrada no estudante, conforme o resumo exposto no Quadro 2. Na sequência, discriminamos os encaminhamentos desenvolvidos em cada uma dessas etapas

A primeira etapa - a mais breve - foi aplicada em sala de aula, consistindo no levantamento das concepções prévias dos estudantes sobre cuidados a serem tomados no uso de refrigeradores domésticos. As cinco frases do Quadro 1 foram transcritas no enunciado, e para cada uma delas foi proposto aos estudantes que simplesmente assinalassem se interpretavam seu conteúdo como ' pura crendice popular, sem fundamento científico ', ou ' uma recomendação dos fabricantes, baseada em argumentos científicos ', ou ' não sei ' (o documento completo referente a este instrumento, assim como os da segunda e terceira etapas, pode ser visualizado na página de internet mantida por um dos autores [FREITAS, 2010]). Para que os estudantes se sentissem mais confortáveis ao responder nesta primeira etapa, estes foram orientados a não incluir sua identificação quando do preenchimento das respostas. Também foi salientado que o parecer deveria ser emitido pelo estudante ' baseado apenas em sua própria vivência pessoal '.

O instrumento referente à segunda etapa foi distribuído na mesma aula em que foi aplicado o primeiro, descrito no parágrafo anterior. A realização desta etapa, prevista para o ambiente extraclasse, foi administrada na forma de Atividade Prática Supervisionada [UTFPR, 2009]. Sugeriu-se aos estudantes que o desenvolvimento dessa etapa fosse realizada no prazo de duas semanas, ao final do qual seria realizada a sua entrega aos professores, e, desta vez, devidamente identificada. Para tanto, os questionários da primeira etapa foram embaralhados e redistribuídos para a turma, de forma que cada estudante examinasse as cinco respostas fornecidas por um de seus colegas de turma (não identificado). Após essa análise, o estudante era conduzido a emitir um parecer sobre o acerto na resposta de seu colega, justificando-a mediante consulta a um manual de instruções de refrigerador comercial disponível na internet. Os estudantes foram orientados a fazer

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textualmente a reprodução da passagem existente no manual. Nesta etapa, foi esclarecido aos estudantes que a referência de confronto para as concepções prévias deveria ser baseada especificamente nas recomendações dos manuais, ficando reservada para a terceira etapa, descrita a seguir, a parte referente à fundamentação científica estudada. O documento completo da segunda etapa se encontra disponível em [FREITAS, 2010].

Os professores realizaram uma análise dos pareceres emitidos pelos estudantes na segunda etapa. Essa análise permitiu que entre as quatro turmas nas quais a atividade foi aplicada, fossem selecionadas cinco respostas, cada uma delas correspondente a uma das frases de referência já trabalhadas nas etapas anteriores. Essa análise inicial permitiu que os professores elaborassem o instrumento que seria aplicado na terceira etapa. Aqui, para cada frase de referência, foram propostas aos estudantes algumas questões de caráter conceitual, tanto objetivas quanto dissertativas.

Para esta etapa, as fontes de consulta sugeridas pelos professores foram as notas de aula de Termodinâmica e os livros de Física. As questões envolveram, principalmente, a identificação dos fenômenos correlacionados, bem como uma contextualização, pelo menos em termos qualitativos, de diversos conteúdos relacionados à Termodinâmica. O enunciado foi distribuído para ser realizado em equipe, em ambiente extraclasse, no qual a entrega e discussão foi agendada para a semana seguinte. Com o objetivo de monitorar mais apropriadamente a discussão final, os estudantes se organizaram em dez equipes. Assim como os demais documentos referentes à primeira e à segunda etapa, o documento completo da terceira se encontra disponível em [FREITAS, 2010].

Para a discussão final que teve duração de até duas aulas, as questões relativas a cada uma das cinco frases de referência foram apresentadas por duas equipes distintas, que foram, para este fim, selecionadas mediante um sorteio.

Os resultados preliminares, que obtivemos na aplicação dos três instrumentos aplicados na atividade complementar desenvolvida, se encontram descritos mais detalhadamente na seção seguinte.

## Resultados preliminares e discussão

Em termos qualitativos, a aplicação da atividade complementar revelou resultados positivos nas quatro turmas em que foi aplicada, ao longo das suas três etapas.

Na primeira etapa, na qual apenas concepções prévias foram investigadas, já houve manifestações de curiosidade, e mesmo alguns questionamentos aos professores, sobre o seguimento do projeto e seus objetivos.

Uma dessas manifestações foi identificada na finalização da primeira etapa. Após se posicionarem individualmente de acordo com suas concepções prévias, os estudantes estabeleceram um diálogo entre eles próprios, acerca das frases apresentadas no Quadro 1. Foi possível perceber que estavam presentes neste diálogo dúvidas, inferências e hipóteses sobre as informações contidas nas frases. Percebeu-se que antes mesmo de se realizar a segunda etapa (que seria desenvolvida em ambiente extraclasse), os estudantes emitiam conclusões e considerações sobre as resposta dos colegas.

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Dada pela situação identificada no comportamento dos estudantes na primeira etapa, a maioria se sentiu motivado a buscar informações nos manuais na internet e mesmo buscarem um dos professores para o esclarecimento de alguma dúvida pertinente as frases. O instrumento da segunda etapa, no qual cada estudante poderia investigar os manuais dos refrigeradores e opinar sobre as respostas de um colega anônimo, foi preenchido e entregue aos professores pela maioria dos estudantes, e apesar de muitos entre eles não aparentarem estar preocupados em cumprir à risca as indicações do enunciado (inclusive alguns se limitando a apenas assinalar 'certo' ou 'errado' em cada resposta), houve um número significativo de trabalhos completos, incluindo a transcrição dos trechos apropriados dos manuais, com a referência bibliográfica corretamente mencionada. Verificou-se que um número significativo dos trabalhos completos traziam também uma discussão do próprio estudante sobre as informações expostas do manual, assim como a sua frase correspondente.

As discussões realizadas em aula na terceira etapa proporcionaram um ambiente geral de grande interesse (um tanto agitado), no qual muitos conceitos fundamentais e fenômenos relacionados foram discutidos. A Figura 1 mostra uma fotografia tomada na aula desta etapa para uma das turmas.

Figura 01: Uma equipe do Curso Técnico em Eletrônica da UTFPR discute com o restante da turma a dilatação anômala da água. Foto de M.S.T. Freitas, tomada em 3 de maio de 2010, Curitiba. Outros registros fotográficos estão disponíveis em [FREITAS, 2010].

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Na terceira etapa, identificou-se que a maioria das equipes apresentaram resultados e concepções corretas relacionadas ao conteúdo de Termodinâmica. Nas situações em que alguns conceitos físicos entre as equipes divergiam, os estudantes estabeleceram discussões até estruturar o conceito correto, com mediação dos professores.

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No entanto, essas discussões não limitavam-se somente as equipes que realizavam a apresentação de cada uma das frases. Membros de outras equipes se posicionavam voluntariamente para fundamentar um conceito físico correto acerca dos fenômenos de Termodinâmica. Dessa maneira, criou-se um ambiente construtivista em que os estudantes se posicionavam conforme julgavam necessário no estudo de cada uma das frases.

De forma geral, essa iniciativa promoveu uma compreensão significativa acerca dos fenômenos ligados à Termodinâmica. Além disso, constatou-se que a aplicação dessa atividade permitiu que o estudante apresentasse uma postura ativa na aquisição desse conhecimento em todas as etapas desenvolvidas.

Além dessas constatações, nas avaliações, propostas na forma de prova com questões teóricas e problemas, percebeu-se um aproveitamento mais efetivo do que em semestres anteriores.

Apesar da atividade se colocar no âmbito dos conceitos relativos à Termodinâmica, os autores acreditam que ela possa ser incorporada e adaptada para outros conteúdos e contextos de ensino.

A investigação dos resultados da segunda aplicação desta atividade está prevista para o segundo semestre de 2010, durante o qual pretendemos organizar uma coleta de dados, visando uma possível análise quantitativa dos resultados obtidos. Até o momento, consideramos que os resultados preliminares, apesar de aparentemente se mostrarem positivos, ainda não são suficientes para uma conclusão consolidada. Nesse sentido, os autores consideram como altamente desejáveis as eventuais discussões no âmbito de um evento na área de Ensino de Física.

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Quadro 01: Tópicos da Termodinâmica focados em cada um dos cinco itens dos três instrumentos de aprendizagem centrada no estudanteQuadro 02: Resumo dos instrumentos de aprendizagem centrada no estudante aplicados nas três etapas da atividade descrita neste trabalho.

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