O ENSINO DO CONCEITO DE CALOR E DE SUAS IMPLICAÇÕES PARA OS SISTEMAS FÍSICOS: UMA PROPOSTA DE ATIVIDADE INVESTIGATIVA

## O ENSINO DO CONCEITO DE CALOR E DE SUAS IMPLICAÇÕES PARA OS SISTEMAS FÍSICOS: UMA PROPOSTA DE ATIVIDADE INVESTIGATIVA

## Marta Maximo Pereira 1 , Vitorvani Soares 2

1 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET/RJ) / UnED Nova Iguaçu e Programa de Pós-Graduação Interunidades em Ensino de Ciências da Universidade de São Paulo, martamaximo@yahoo.com

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

## Resumo

Neste trabalho apresentamos uma atividade elaborada a fim de auxiliar o professor a construir com seus alunos o conceito de calor e suas implicações para os sistemas físicos. Para tanto, utilizamos os pressupostos do ensino por investigação e levamos em conta as concepções não-científicas dos estudantes no que se refere ao conceito de calor. A atividade investigativa desenvolvida possui caráter experimental e tem por objetivo verificar que calor pode gerar tanto mudança de fase à temperatura constante como mudança de temperatura. Por conta da duração do experimento realizado na atividade, sugerimos neste texto algumas possibilidades alternativas de utilização da atividade proposta em sala de aula, mas sempre mantendo o seu caráter investigativo. A escolha do ensino por investigação nos pareceu adequada porque possibilita aos alunos pensar com base na ciência sobre fenômenos presentes em seu cotidiano, planejar suas ações e refletir sobre elas, realizar um experimento entendendo a finalidade do procedimento utilizado, coletar dados e analisá-los para resolver o problema proposto.

Palavras-chave : ensino por investigação, experimentação, calor.

## Introdução

Dentre os vários problemas existentes na aprendizagem de Física nas escolas de Ensino Médio brasileiras, Grings, Caballero e Moreira (2007) identificam que os conceitos que os alunos associam às grandezas físicas fundamentais da Termodinâmica, mesmo após a instrução formal, estão muito distantes do conhecimento atualmente compartilhado pela comunidade científica. Além disso, os autores catalogam para os fenômenos termodinâmicos uma série de possíveis invariantes operatórios , que são proposições tidas como verdadeiras para os estudantes. Tal definição é proposta pela teoria dos campos conceituais (VERGNAUD, 1990 apud MOREIRA, 2002).

Destacamos alguns invariantes operatórios relativos ao conceito de calor, os quais estão presentes em Grings, Caballero e Moreira (2007, p. 10):

- 'É necessária uma fonte de calor para aumentar a temperatura de um corpo.'
- 'Ocorre transferência de calor quando os corpos estão encostados.'
- 'O corpo de menor temperatura recebe calor até os corpos atingirem o equilíbrio térmico.'

Analisando as três sentenças acima, observamos que apenas a última é compatível com o conhecimento aceito cientificamente na atualidade.

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Yeo e Zadnik (2001, p. 498) apresentam também uma série de concepções alternativas dos estudantes sobre Física Térmica, dentre as quais destacamos:

'Quando a temperatura de mudança de fase permanece constante, alguma coisa está 'errada'.'

'Calor sempre resulta num aumento de temperatura.'

De acordo com Köhnlein e Peduzzi (2002, p. 25), 'apesar de o estudo das concepções alternativas ter praticamente se esgotado em termos de pesquisa, pouco chegou até hoje à sala de aula.'

Nesse contexto, o presente trabalho visa apresentar uma intervenção no ensino que auxilie o professor a construir com seus alunos o conceito de calor e suas implicações para os sistemas físicos com base no questionamento das afirmações não-científicas mencionadas acima. Elaboramos uma atividade investigativa por intermédio da qual os alunos podem participar da construção das etapas de realização de um experimento, que tem por objetivo verificar que calor pode gerar tanto mudança de fase à temperatura constante como mudança de temperatura. Esta atividade integra os Guias de orientação para o professor , elaborados em nossa dissertação de Mestrado Profissional em Ensino de Física (MAXIMO-PEREIRA, 2010),

## Referencial teórico

As pesquisas em ensino apontam que os alunos aprendem mais sobre ciência e desenvolvem melhor seu conhecimento conceitual quando participam de investigações científicas (tanto no laboratório como com problemas de lápis e papel), semelhantes às realizadas em laboratórios de pesquisa (HUDSON, 1992, apud AZEVEDO, 2004). Segundo Saraiva-Neves, Caballero e Moreira (2006), as atividades de natureza investigativa se relacionam com uma visão construtivista do ensino.

Estudos sobre como os alunos aprendem por intermédio de atividades investigativas (CAPPECHI e CARVALHO, 2006; LOCATELLI e CARVALHO, 2007; MAXIMO-PEREIRA e SOARES, 2010; MAXIMO-PEREIRA, SOARES e ANDRADE, 2011) e propostas de tais atividades (CARVALHO, 1999; BOSS et al , 2009) estão cada vez mais presentes na literatura recente na área de ensino de ciências no Brasil. Tais trabalhos mencionam o ensino por investigação como uma estratégia para a aprendizagem de conceitos, o estabelecimento de relações de causa e efeito, a realização de trabalho colaborativo, o desenvolvimento da argumentação dos estudantes e de uma visão mais autêntica do que é fazer ciência.

Ao participarem de uma atividade investigativa, os estudantes devem não somente observar fenômenos e manipular informações ou experimentos, mas também formular hipóteses, refletir e discutir em grupo, explicar os argumentos utilizados e relatar suas conclusões para a resolução do problema, ou seja, participar de etapas características de uma investigação científica (AZEVEDO, 2004). Em outras palavras, os alunos devem aprender ciência e sobre ciência. Para tanto, o trabalho investigativo deve partir de um problema aberto que faça sentido para o aluno e possibilite a construção de um novo conhecimento, pois, de acordo com Bachelard (2001, p. 166), '[...] todo conhecimento é resposta a uma questão'.

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## Proposta de atividade investigativa

No início da atividade investigativa, propomos que o professor coloque aos alunos o seguinte problema: Que efeitos são observados quando colocamos cubos de gelo dentro de um copo? O que provocou tais efeitos? Algumas possíveis hipóteses formuladas pelos alunos para a primeira pergunta podem ser, por exemplo: o gelo derrete; o gelo vira água; a temperatura do gelo vai aumentando, ele derrete e vira água. Sabemos, cientificamente, que a temperatura do gelo vai aumentando, ele vira água líquida à temperatura constante, e depois a temperatura continua aumentando até ficar igual à temperatura ambiente, ou seja, até que se atinja o equilíbrio térmico.

Quanto à segunda pergunta, os alunos podem atribuir os efeitos observados, por exemplo, ao ambiente, ao ar em volta do gelo ou ao calor do ambiente que passa para o gelo. Pretendemos que, ao final da atividade, os alunos compreendam que o calor é a energia transferida do ambiente e do copo para o gelo e que é o calor que gera os efeitos observados no gelo.

Tendo por base as hipóteses elaboradas e para testá-las, sugerimos que o professor proponha a realização do experimento mencionado no problema. No entanto, os alunos não executarão procedimentos previamente estabelecidos pelo professor para realizar a experiência, mas sim devem ser orientados por ele a se dividirem em grupos para elaborar um plano de trabalho sobre como será feito o experimento. Nessa etapa, o professor pode propor as seguintes reflexões aos grupos: o que observar no experimento? O que medir? Que materiais usar? Que procedimento utilizar? Como medir? Como organizar os dados coletados? Que tipo de análise realizar?

Os grupos apresentam suas propostas de realização do experimento com base nessas questões colocadas e debatem entre eles com a mediação do professor, que deve apontar possíveis inconsistências, levantar pontos importantes não considerados pelos alunos, propor questionamentos sobre os intervalos escolhidos para as medições, etc. O professor disponibiliza alguns materiais que podem ser utilizados na realização da experiência. Por intermédio da discussão coletiva, o professor discute com os grupos a fim de que seja(m) escolhido(s) o(s) melhor(es) procedimento(s) experimental(ais) proposto(s).

Propomos que os grupos realizem o experimento com a supervisão do professor, coletem os dados, debatam entre si para analisá-los e elaborem sua solução para o problema. Todos os grupos se reúnem e cada um apresenta seus resultados e sua solução. Com a orientação e mediação do professor, os grupos discutem para chegar à melhor solução coletiva.

## Algumas considerações sobre a atividade proposta

Considerando a estrutura geral de condução da atividade investigativa que propomos, apresentamos agora algumas considerações sobre o experimento, já realizado por nós, e alguns conceitos e fenômenos que podem ser abordados durante as discussões com os grupos de alunos.

Para a realização do experimento, deixamos dois cubos de gelo dentro de um copo de vidro sobre uma mesa e observamos o que acontecia medindo a temperatura do gelo e, depois, da água que se formou. Utilizamos um multímetro

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com sensor termopar para as medições de temperatura, mas um termômetro de mercúrio comum também pode ser utilizado. Em ambos os casos, deve-se assegurar que os medidores de temperatura mantenham contínuo contato térmico com o gelo e/ou a água.

A temperatura do gelo, caso esteja negativa no início da experiência, aumentará até que se inicie o processo de mudança de fase. Quando isso acontece, a temperatura permanece constante em 0 ºC até que todo o gelo derreta. Posteriormente, a temperatura da água já na fase líquida volta a aumentar, atingindo a temperatura ambiente, quando, então, não mais aumenta, pois ocorre o equilíbrio térmico com o ambiente (gráfico da Figura 1).

Figura 1 . Gráfico de temperatura em função do tempo para dois cubos de gelo expostos à temperatura ambiente de 19 ºC dentro de um copo

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Esses dois efeitos (mudança de temperatura e mudança de fase à temperatura constante) acontecem devido a alguma energia que foi transferida do ambiente e do copo para o gelo, a qual denominamos calor. O professor pode lembrar aos alunos que essa transferência de energia (do ambiente e do copo para o gelo) acontece sem a presença de uma fonte térmica explícita, como o fogo ou um aquecedor. Nesse caso, o copo e o ambiente atuam como 'fontes térmicas' para o gelo. É interessante notar também que, mesmo que não haja o copo, o gelo recebe energia somente do ambiente e os mesmos efeitos são observados, pois ocorre transferência de energia, na forma de calor, mesmo que não haja dois corpos rígidos encostados um no outro. O ar permeia o ambiente e estaria em 'contato' com o gelo.

O experimento do derretimento do gelo, no caso de querermos acompanhar todo o processo, até que se atinja o equilíbrio térmico, possui uma longa duração (em torno de 3 h, para apenas dois cubos de gelo), conforme podemos observar pelo gráfico da Figura 1. Como sabemos que este tempo inviabiliza a realização do experimento completo em sala de aula, sugerimos algumas alternativas para o professor:

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- a) solicitar aos alunos que realizem as medidas, conforme planejaram em sala, fora do horário de aula, em casa ou na escola, e que tragam os dados e/ou gráficos e/ou resultados para discussão em sala de aula;
- b) realizar o experimento parcialmente em sala de aula, até o ponto em que o gelo começa a derreter à temperatura constante (após aproximadamente 10 min) e pedir que os alunos façam inferências sobre o que vai acontecer com o gelo (agora transformado em água) e sua temperatura após a mudança de fase, por que isso acontece e até quando. Para verificar as hipóteses dos alunos, o professor pode fornecer-lhes posteriormente um gráfico como o da Figura 1, obtido com base na experiência realizada previamente;
- c) transformar a atividade proposta por nós em uma atividade investigativa de análise de dados de experimento, fornecendo, por exemplo, um gráfico como o da Figura 1 e propondo como problema descobrir que fenômeno(s) térmico(s) pode(m) ser descrito(s) por ele e o que provocou os efeitos observados.

## Considerações finais

Apresentamos neste trabalho uma proposta de atividade investigativa para o ensino do conceito de calor e de suas implicações para os sistemas físicos. Acreditamos que os pressupostos do ensino por investigação, que nortearam a elaboração da atividade, permitem aos alunos pensar com base na ciência sobre fenômenos presentes em seu cotidiano, planejar suas ações e refletir sobre elas, realizar um experimento entendendo a finalidade do procedimento utilizado, coletar dados e analisá-los para resolver o problema proposto, entre outras habilidades desenvolvidas.

Além disso, esperamos que, com esta atividade, seja possível promover nos alunos o questionamento e a reflexão sobre os conhecimentos não-científicos já mencionados por nós neste trabalho como fortemente presentes nas pessoas, até mesmo após o ensino da Física na escola (GRINGS, CABALLERO e MOREIRA, 2007; YEO e ZADNIK, 2001). Nossa expectativa com essa atividade é que os estudantes possam se aproximar, por intermédio dela, cada vez mais do conhecimento científico, em especial do conceito de calor, para explicar os fenômenos presentes em seu dia a dia.

## Referências bibliográficas

AZEVEDO, M. C. P. S. Ensino por investigação: problematizando as atividades em sala de aula. In: CARVALHO, A. M. P. (org). Ensino de Ciências. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, p. 19-33, 2004.

BACHELARD, G. O novo espírito científico . Rio de Janeiro: Tempo Brasileiro, 2001.

CAPECCHI, M. C. V. M.; CARVALHO, A. M. P. Atividade de laboratório como instrumento para a abordagem de aspectos da cultura científica em sala de aula. Revista Pro-Posições , Faculdade de Educação da Unicamp, v. 17, n.1 (49), p. 137153, jan./abr. 2006.

CARVALHO, A. M. P. et al. Termodinâmica: Um ensino por investigação . 1. ed. São Paulo: Universidade de São Paulo - Faculdade de Educação, v. 1, 1999.

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MAXIMO-PEREIRA, M. 'Ufa!! Que calor é esse?! Rio 40 ºC'- Uma proposta para o ensino dos conceitos de calor e temperatura no Ensino Médio . Dissertação (Mestrado Profissional em Ensino de Física) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.

MAXIMO-PEREIRA, M.; SOARES, V. Ver TV e aprender Física: um caminho possível . In: 62ª REUNIÃO ANUAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA PARA O PROGRESSO DA CIÊNCIA (SBPC), Natal: 2010. Anais da 62ª Reunião da SBPC. São Paulo: Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência.

MAXIMO-PEREIRA, M.; SOARES, V.; ANDRADE, V. A. Escrita como ferramenta indicativa das possíveis contribuições de uma atividade investigativa sobre temperatura para a aprendizagem. Experiências em Ensino de Ciências (UFRGS), v. 6, p. 118-132, 2011.

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