CONFORTO TÉRMICO EM RESIDÊNCIAS COMO UMA PROPOSTA DE CONTEXTUALIZAÇÃO PARA O ENSINO DE TERMODINÂMICA NO ENSINO MÉDIO.

## CONFORTO TÉRMICO EM RESIDÊNCIAS COMO UMA PROPOSTA DE CONTEXTUALIZAÇÃO PARA O ENSINO DE TERMODINÂMICA NO ENSINO MÉDIO.

## Eduardo Couto de Lima 1* , Helio Salim de Amorim 2

- 1* Colégio Pedro II, Unidade Escolar Realengo/RJ - educouto\_lima@yahoo.com.br

## Resumo

Este trabalho é uma comunicação oral (com Datashow que tem como proposta ) a apresentação de uma sequência de atividades para se contextualizar o conteúdo de Física Térmica no Ensino Médio (EM), através dos problemas relacionados com o Conforto Térmico em Residências. As atividades propostas possuem o enfoque C-T-S, objeto de intensas pesquisas em ensino de Física, estão em consonância com as últimas propostas dos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) para o ensino de Ciências no EM, com as questões prementes das Mudanças Climáticas Globais e também, com o problema emergente das Ilhas de Calor e os grandes centros urbanos. Ao longo do trabalho são desenvolvidas atividades manuais, coleta de dados, analises qualitativas e quantitativas e ainda são apresentados os temas que compõem o estudo da Termodinâmica no EM; é feita uma descrição de cada atividade proposta; são apresentados dados e registros fotográficos obtidos a partir da aplicação de tais atividades numa escola federal de Ensino Médio do Rio de Janeiro (Colégio Pedro II - Unidade Escolar Realengo), com análise consequente. Nosso trabalho atua no sentido de trazer a Ciência para uma realidade mais próxima do aluno, utilizando situações reais.

Palavras-chave : Física Térmica, conforto térmico, psicrometria, umidade relativa do ar, placa Arduino.

## Introdução e Justificativa

O final do século XX presenciou o crescimento da consciência da sociedade em relação à degradação do meio ambiente decorrente do processo de desenvolvimento. O aprofundamento da crise ambiental, juntamente com a reflexão sistemática sobre a influência da sociedade neste processo, segundo BELLEN conduziu a um novo conceito, o de desenvolvimento sustentável ou como conhecemos nos dias de hoje, SUSTENTABILIDADE. Colocando em termos simples, a sustentabilidade é prover o melhor para as pessoas e para o ambiente tanto agora como para um futuro indefinido. Segundo o Relatório de Brundtland (1987), também conhecido como Nosso Futuro Comum , sustentabilidade é: 'Suprir as necessidades da geração presente sem afetar a habilidade das gerações futuras de suprir as suas', ou seja, implementar uma consciência ecológica de sustentabilidade nos jovens e adolescentes é um tema de fundamental importância para a sociedade e deve ter um caráter obrigatório no ambiente escolar.

O intuito deste trabalho é contextualizar a Física Térmica, principalmente, as trocas radiativas de calor usando concepções de sustentabilidade, conforto térmico e atividades práticas em sala de aula e atividades diárias nas residências do próprio

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20 a 25 de janeiro de 2013

aluno podendo haver, inclusive, participação direta de amigos ou familiares de fora da comunidade escolar.

De acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais, os objetivos do Ensino Médio em cada área do conhecimento devem envolver, de forma combinada, o desenvolvimento de conhecimentos práticos, contextualizados, que respondam às necessidades da vida contemporânea, e o desenvolvimento de conhecimentos mais amplos e abstratos, que correspondam a uma cultura geral e a uma visão de mundo. Para a área das Ciências da Natureza, Matemática e Tecnologias, isto é particularmente verdadeiro, pois a crescente valorização do conhecimento e da capacidade de inovar demanda cidadãos capazes de aprender continuamente, para o que é essencial uma formação geral e não apenas um treinamento específico.

Com esse intuito, pode-se perceber que a área da Física Térmica é muito fértil para a compreensão do conceito de energia, envolvendo suas transformações e transferências. Facilita a pratica da sustentabilidade na questão do binômio economia - eficiência energética, além de ser um caminho multidisciplinar, pois encontramos uma forte relação com áreas como a Biologia, Química, Geografia etc. Este caminho segue de encontro com os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN) e também com a linha de pesquisa em ensino Ciência -Tecnologia - Sociedade (CTS).

Nos ambientes urbanos constata-se cada vez mais o comprometimento da qualidade de vida das populações com relação às condições climáticas, pois o clima afeta diretamente as atividades econômicas, a saúde e o bem estar da população. A questão da mudança climática global é cada vez mais relevante em um contexto de uma população de mais de seis bilhões de pessoas cujas atividades vêm alterando características da superfície, como a cobertura vegetal, e também a concentração de gases que interagem fortemente com a radiação na atmosfera (Melo, 2007 apud Santos e Melo). Segundo o relatório do IPCC (2007) as populações que sofrerão mais, com certeza, serão as das grandes cidades dos países em desenvolvimento, especialmente os países tropicais.

## Conforto Térmico

Segundo a definição da ASHRAE ( American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. ) -Standart 55-92, 'Conforto térmico é a condição da mente que expressa a satisfação com o meio térmico' e segundo Ole Fanger (1970), 'neutralidade térmica é a condição de que uma pessoa não prefira nem mais calor e nem mais frio no ambiente ao seu redor'.

As exigências humanas de conforto térmico estão relacionadas com o funcionamento do seu organismo, cujo mecanismo, complexo, pode ser, à grosso modo, comparado a uma máquina térmica que produz calor segundo sua atividade. O homem precisa liberar calor, em quantidade suficiente, para que sua temperatura interna se mantenha em torno dos 37 ºC (homeotermia) com limites muito estreitos entre 36,1 ºC e 37,2 ºC - sendo 32 ºC o limite inferior e 42 ºC o limite superior para sobrevivência em estado de enfermidade. Quando as trocas de calor, entre o corpo humano e o ambiente, ocorrem sem maior esforço, à sensação do indivíduo é de conforto térmico e sua capacidade de trabalho é máxima. No entanto, se as condições térmicas ambientais causam sensação de frio ou calor é porque o organismo está perdendo mais ou menos calor necessário para homeotermia o que só será conseguido com esforço adicional, que representa sobrecarga, com queda de rendimento no trabalho e até problemas de saúde (Frota e Schiffer, 2003).

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## A Importância do estudo do Conforto Térmico

- a) A satisfação do homem ou seu bem-estar em se sentir termicamente confortável;
- b) O desempenho humano geral, muito embora os resultados de inúmeras investigações não sejam conclusivos a esse respeito, e a despeito dessa inconclusividade, os estudos sugerem uma tendência de que o desconforto causado por calor ou frio reduz o desempenho humana. Particularmente, as atividades intelectuais, manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em condições de conforto térmico.
- c) A conservação de energia, pois devido à crescente mecanização e industrialização da sociedade, as pessoas passam grande parte de suas vidas em ambientes condicionados artificialmente. Ao conhecer as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes em seus ambientes, evitam-se desperdícios com calefação e refrigeração, muitas vezes desnecessários.

## Índice de Conforto Térmico

- O ser humano é um homeotérmico, com uma temperatura do corpo entre 36 e 37ºC. Abaixo destes valores há hipotermia e mecanismos de controle são acionados, como a vasoconstrição, tiritar, arrepios, aumento da taxa metabólica, na tentativa de se elevar a temperatura corporal. Estas são respostas de curto prazo, há respostas mais longas, com o aumento dos depósitos de gordura, gordura subcutânea e outros mecanismos.

Para o caso de hipertermia, acima de 37ºC, temos o suor, a vasodilatação e respostas também de mais longo prazo.

Portanto, o conforto se dá quando nenhum destes mecanismos é necessário ser acionado. Os primeiros estudos a cerca de conforto térmico datam do início do século passado. Esses estudos tinham o objetivo principal de que maneira as condições termohigrógrafas afetavam o rendimento do trabalho. As equações de balanço de energia e índices de conforto ou desconforto podem levar a três grupos principais:

- (1) - As que levam em conta somente vento e temperatura ou umidade e temperatura;
- (2) - As que levam em conta somente temperatura, vento e umidade;
- (3) - As que incluem todas as principais variáveis meteorológicas (temperatura, umidade, radiação e vento) e pessoais (trocas de calor e vapor de água, metabolismo e isolamento da roupa).

Em nosso trabalho foi realizada uma pesquisa de campo para analisar o nível de conforto térmico em ambientes reais com as pessoas desempenhando atividades rotineiras. Nossa pesquisa tem abordagem qualitativa e quantitativa tendo como fonte principal para o estudo os dados de temperatura e umidade relativa do ar obtidos em ambiente escolar e domiciliar através do uso psicrômetro (figura 1), construído (figura 2) e aferido por cada aluno (figura 3) durante uma aula de 1h e 30 min.

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Após a coleta de dados, os alunos da 1ª série do ensino médio, foram encaminhados para uma sala de informática e com a orientação dos professores de Física e de Informática receberam orientações para a organização e compilação dos dados no formato EXCEL a fim de uniformizar, organizar e reunir os dados obtidos.

Os dados apresentados pelos alunos foram utilizados no índice bioclimático proposto por Thom (1959), mais comumente usado em estudos de clima urbano para regiões tropicais, para descrever a sensação térmica que uma pessoa experimenta devido às condições climáticas de um ambiente. Este índice oferece uma medida razoável do grau de desconforto para várias combinações de temperatura e umidade relativa do ar. Na estimativa do índice de desconforto de Thom (IDT), em graus Celsius, a seguinte equação é aplicada:

## IDT = T - (0,55-0,0055 UR)(T -14,5)

Onde:

T é a temperatura do ar (ºC)

UR é a umidade relativa do ar (%).

Na caracterização do nível de desconforto térmico, foi utilizada a classificação proposta por Giles et al. (1990) e apresentada na Tabela 1.

A

Na segunda e última parte de nosso projeto avaliamos uma solução prática para a mitigação do desconforto térmico domiciliar, tão comum no período de verão em nossas cidades, envolvendo ai o tema das trocas radiativas de calor e a proposta da ONU (Organização das Nações Unidas), no âmbito do IPCC ( Intergovernmental Panel on Climate Change ), e de grande repercussão na mídia, que foi o: 'Pinte seu telhado de branco'. Para isso utilizamos duas maquetes de residências (Figura 4), uma com telhado pintado de branco e outra com telhado cinza (para tentar reproduzir a cor de telhas de amianto ou de uma laje comum) e sensores de temperatura, umidade relativa do ar e luminosidade, associados a uma placa de aquisição de dados (placa ARDUINO) exposta às condições climáticas reais durante um dia inteiro (24h). Após a coleta dos dados gráficos de temperatura x tempo, umidade x tempo e luminosidade x tempo foram construídos. A partir da análise desses dados será feita uma grande discussão e debate entre o professor e os alunos com objetivos de melhor compreender e visualizar questões acerca do tema. O gráfico apresentado na Figura 5

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mostra um típico resultado obtido com o equipamento desenvolvido.

## Referências

AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR CONDITIONING ENGINEERS, INC. ASHAE Fundamentals. Atlanta, 2001. Cap. 8: Thermal Comfort.

BELLEN H. M. V. Desenvolvimento Sustentável: Uma Descrição das Principais Ferramentas de Avaliação. 2003.

FROTA, A. B. e SCHIFFER, S. R.; Manual de Conforto Térmico. Studio Nobel. 7ª Edição, 245p. 2003.

GILES, D. B.; BALAFOUTS, C.; MAHERAS, P. (1990). Too Hot For Comfort: The Heatwaves in Greece in 1987 and 1988. International Journal of biometeorology. Vol. 34, Nº XX, pp. 98 - 104.

Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN (MEC/SEF, 1998).

RAMOS, E.; PINTO, S.; VIANNA, D. Ciência, Tecnologia e Sociedade no contexto da sala de Aula, 2008.

SANTOS, W. L. P.; MORTIMER, E. F. Uma análise de pressupostos teóricos da abordagem C-T-S (Ciência - Tecnologia - Sociedade) no contexto da educação brasileira. Revista Ensaio - Pesquisa em Educação em Ciência, vol. 3, n. 2, p.133162, Junho, 2001.

THOM, E. C., (1959). The discomfort index. Weatherwise. Vol. 12. pp 57 60.

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Figura 1 - Modelo de Psicrômetro montado em sala de aula com os alunos. Material utilizado: Dois termômetros, Papel cartão, Cadarço e copo plástico. Custo Médio R$ 5,00.

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Figura 2 - Turma montando o Psicrômetro

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Figura 3 - Psicrômetro construído por cada aluno.

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Figura 4 - Montagem experimental para avaliação do desempenho da proposta 'pinte o se telhado de branco'. Na foto vemos as duas maquetes usadas e os sensores de luz e umidade relativa do ar. No interior das maquetes estão os sensores de temperatura correspondentes.

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Figura 5 - Gráfico da temperatura em função do tempo, para um ciclo de 24 horas mostrando que temperaturas mais baixas podem ser facilmente obtidas com o uso do telhado branco.

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