Uma proposta para o ensino dos gases perfeitos apoiado por experiências: o sensor de pressão MPX2010DP

## Uma proposta para o ensino dos gases perfeitos apoiado por experiências: o sensor de pressão MPX2010DP

## Carlos Victor da Silva Marques , Hélio Salim de Amorim 1 2

1 UFRJ/Instituto de Física,victorif@ig.com.br

2 UFRJ/ Instituto de Física, hsalim@uol.com.br

## Resumo

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta experimental para que o professor de Física possa trabalhar com as Leis de Boyle-Mariotte e Charles, desenvolvendo as habilidades e competências dos alunos, de tal maneira que o aluno seja levado a compreender e estimulado a desenvolver um senso crítico sobre o conteúdo, através de um experimento de baixo custo e fácil manuseio apoiado pelo sensor de pressão MPX2010DP. A proposta foi feita levando em consideração a realidade e os recursos que os professores atualmente encontram para trabalhar com o assunto em questão, as orientações curriculares do ensino médio e os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN's). Levamos em consideração também, que no mundo moderno em que vivemos é extremamente importante que os professores façam uma ligação entre o ensinamento científico-pedagógico com os acontecimentos diários, isto é, busque uma contextualização dos assuntos abordados nos livros. Como consequência, terão maior facilidade em obter e reconhecer os recursos didáticos e trabalhá-los de maneira efetiva em sala de aula. Fizemos também uma análise de como os livros didáticos, listados pelo PNLEM, abordam o ensino dos gases.

Palavras-chave : Leis de Boyle-Mariotte e Charles, Ensino dos gases, Experimento de baixo custo, Sensor de pressão

## Introdução

O presente trabalho foi motivado pela preocupação em levar para os professores de Física uma proposta experimental para se trabalhar com as propriedades dos gases, em especial as leis de Boyle - Mariotte e Charles através de um experimento de fácil manuseio e baixo custo, onde este poderá proporcionar aos alunos condições de vivenciar e observar tais fenômenos físicos facilitando dessa forma o desenvolvimento de habilidades e competências e não, somente, limitando-se à apresentação de equações que para os alunos acabam sendo por demais.

## Análise dos livros didáticos indicados pelo PNLEM

Fazendo uma análise das resenhas dos livros didáticos listados pelo Plano Nacional do Livro Didático (PNLD), especificamente sobre o ensino das propriedades termodinâmicas dos gases, concluímos que estes quando muito apresentam atividades experimentais, através de figuras e pequenos roteiros meramente ilustrativos, para explicação ou comprovação de alguma lei física. Isso faz com que o professor fique preso a um mesmo modelo de atuação em sala de

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20 a 25 de janeiro de 2013

aula, dificultando a realização de atividades diferenciadas na construção do conhecimento juntamente com o aluno.

## Argumentação baseada nos PCN+

O ensino da Física de acordo com o novo PNC+ (BRASIL, 2002) busca levar conhecimento aos educandos através da realidade em que vivem, onde deve ser pautada a formação deste como cidadão atuante e não somente um receptor de fórmulas ou conceitos abstratos e distantes do seu dia-dia, deve fazer com que o aprendiz consiga observar no seu cotidiano a presença constante do que foi ensinado em sala de aula. Pois, o surgimento da Física se deu juntamente com o desenvolvimento da humanidade, seus avanços tecnológicos e suas descobertas científicas.

Neste contexto, a Física não poderá ser trabalhada de maneira isolada, ou seja, as diferentes áreas do conhecimento deverão ser desenvolvidas interdisciplinarmente, tomando como base norteadora o Projeto Político Pedagógico de cada unidade de ensino, pois este é a identidade da instituição escolar, determinando suas linhas de ações e de como as competências estarão sendo privilegiadas.

Em meio a esse panorama, nos deparamos com as dificuldades em se colocar em prática todas essas questões abordadas, pois temos que levar em consideração vários aspectos: culturais, sociais e tecnológicos. Muitas vezes ainda, nos faltam subsídios para superá-los, fazendo com que essa prática escolar no ensino de Física se torne um desafio cada vez maior, uma vez que não basta ter somente embasamento teórico para que possamos desenvolver um trabalho efetivamente transformador e atual.

## Uma Proposta Experimental sobre as Propriedades Termodinâmicas dos Gases

## Materiais utilizados nos experimentos

Levando em consideração a estrutura física precária encontrada pelos professores na maioria das escolas, sejam elas públicas ou particulares, o que dificulta ou muitas vezes impossibilita um trabalho de qualidade e diferenciado no ensino da física, os materias utilizados para a realização dos experimentos são de fácil acesso e de baixo custo. A montagem dos experimentos é simples e nos proporciona, como vimos, uma locomoção sem muitos problemas. Foram utilizados:

- 1. o medidor de pressão baseado no sensor MPX2010DP;
- 2. duas seringas, uma de 3 ml e outra de 5 ml (experiência de Boyle);
- 3. um multímetro.
- 4. uma caixa plástica para fixação de componentes eletrônicos;
- 5. dois bornes um preto e um vermelho;
- 6. de 0,5 m;
- dois pedaços de mangueira com 3 mm de diâmetro, um de 1 m e outro
- 7. uma fonte de tensão para celular (5VDC);

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- 8. um termômetro de mercúrio;
- 9. um cavalete;
- 10. uma placa de aquecimento com rotor magnético;
- 11. um backer de pirex (1 litro);
- 12. uma lata de conservas de 300 ml e um pedaço (~ 5cm) de tubo de cobre tipo capilar;
- 13. um pedaço de isopor utilizado como tampa para o backer ;
- 14. pesos diversos;
- 15. conexão em 'T'.

Os itens 4, 5 e 7 foram usados para a construção da caixa de fixação do sensor MPX2010DP. Os materiais listados acima podem ser vistos na foto (Figura 1) a seguir.

Figura 1Materiais utilizados para montagem do experimento

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## O sensor de pressão

O sensor de pressão tem o seu funcionamento estabelecido quando ligado a uma fonte que forneça uma tensão (Vs) entre 5 e 16 VDC e uma corrente de 6 mA. Ele fornece uma saída de tensão, com uma boa precisão, diretamente proporcional à pressão aplicada no sensor. O limite de tensão de saída na faixa linear é de 24 25 mV para uma temperatura ambiente (Ta) de 25,0 °C.

- O sensor possui dois pinos, um para a medição da pressão (P1 &gt; Po pressão atmosférica) e outro para a medição do vácuo (P2 &lt; Po). Como em nossa proposta a pressão sempre aumenta, o pino P1 é usado para medir a pressão feita durante o experimento e o pino P2 fica desconectado sofrendo a ação da pressão atmosférica local. A tensão de saída aumenta proporcionalmente com o aumento da diferença de pressão em relação ao pino aberto. Se fazemos pressão usamos o pino P1, se fazemos vácuo usamos o pino P2. O sensor nos fornece uma relação de 1 KPa para cada 2,5 mV de saída, sendo que 10 KPa é igual a 0,145 psi. Abaixo podem ser visto uma figura do sensor (Figura 2) e um gráfico (Figura 2b) representando a resposta ideal do sensor.

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Figura 2Representação dos pinos

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O sensor de pressão MPX2010DP é um sensor diferencial, medindo assim a pressão manométrica (Pm) e não a pressão absoluta. Nas experiências propostas é necessário medir a pressão absoluta (P) e para tanto precisamos conhecer a pressão atmosférica local. Em nossos cálculos aplicamos quando necessário a relação,

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## Montagem e procedimento experimental da Lei de Charles

Vamos descrever agora a montagem da experiência para a verificação da Lei de Charles. A lei de Charles estabelece que numa transformação isovolumétrica a pressão varia linearmente com a temperatura absoluta.

Inicialmente colocamos 600 ml de água no becker , em seguida o colocamos em cima da placa de aquecimento (placa de aquecimento com rotor magnético), conectamos a mangueira de 5 ml ao tubo de cobre da lata de conservas, (para uma perfeita vedação foi utilizado uma braçadeira). A ideia aqui foi proceder o aquecimento do recipiente de gás em um 'banho Maria' com agitador magnético para produzir uma homogeneização da temperatura face a presença de correntes de convecção que se formam naturalmente no becker . Pegamos a tampa de isopor e fizemos dois furos nesta, um no centro para a passagem do tubo de cobre com a mangueira e o outro em sua extremidade para a passagem do termômetro. Depois, mergulhamos a lata de conservas dentro do becker . Neste mesmo momento, passamos a mangueira e o tubo pelo furo central da tampa de isopor a fim de tamparmos o becker . Com o objetivo de equilibrar o empuxo utilizamos pesos de metal, colocando-os por cima da tampa de isopor em suas extremidades. Através do outro furo introduzimos o termômetro que ficou fixado através do cavalete. O próximo passo foi anotar a temperatura ambiente, ligar o rotor magnético e a placa de aquecimento, aguardamos a temperatura aumentar um pouco no intuito de termos um sistema equilibrado. Enquanto isso, ligamos e conectamos o multímetro nos bornes. Após obtermos a temperatura desejada (esta pode ser escolhida arbitrariamente, não há um valor determinado) ligamos o sensor de pressão através da fonte e conectamos a mangueira no sensor, com isso, passamos a coletar os dados. A pressão é obtida diretamente da leitura do multímetro e a temperatura é

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Figura 2b Funcionamento do sensor

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obtida do termômetro que está inserido no becker . O sistema montado pode ser visto na foto abaixo.

Figura 3Foto do experimento de Charles

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## Montagem e procedimento experimental da Lei de Boyle - Mariotte

Vamos descrever agora a montagem da experiência para a verificação da Lei de Boyle - Mariotte. Essa lei estabelece que numa transformação isotérmica a pressão varia inversamente com o volume ocupado pelo gás.

O sistema é composto de duas seringas, o sensor de pressão e o multímetro. Neste processo foram usadas duas seringas uma de 10 mL e outra de 1 mL. A montagem e o manuseio deste sistema é muito simples, para tanto, pegamos uma das seringas, no caso a de 10 mL, e a deixamos descomprimida durante todo o experimento (a seringa tem que estar descomprimida para que possamos ter um volume inicial) a outra seringa de 1 mL também fica, inicialmente, totalmente descomprimida para que possamos variar seu volume, comprimindo-a devagar a fim de mantermos a temperatura do sistema constante. Conectamos, então, as seringas ao sensor e em seguida o multímetro aos bornes para a leitura da voltagem. Com o sistema montado passamos a coletar os dados: a variação do volume é feita comprimindo-se o êmbolo de uma seringa mantendo o volume da outra constante e a leitura do volume é feita na escala da seringa; a pressão é medida com o multímetro. O sistema montado pode ser visto na figura 4.

Fizemos vários testes a fim de encontrar o melhor aparato que funcionasse como um cilindro com êmbolo móvel. Muitos não serviram por não terem uma boa relação custo benefício; não possuírem a rigidez necessária capaz de manter sua estrutura (volume) física inalterada com a variação da pressão interna ou por não termos como medir o seu volume interno e sua variação com uma boa precisão. As melhores montagens foram realizadas utilizando duas seringas comerciais de uso médico compradas em farmácia. A finalidade da segunda seringa é a de permitir variar mais o volume inicial da transformação. Se esse volume é o volume dado por uma única seringa no início da transformação vamos ter poucos pontos de medida antes que alcancemos o seu limite operacional que é de 10 kPa. Vale ressaltar que foram feitos testes usando somente uma seringa, entretanto, não foram obtidos bons resultados, pois o sensor ficou rapidamente saturado resultando poucos dados para uma boa análise. Na melhor montagem, interligamos as duas seringas ao sensor,

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para termos um volume inicial maior, através de uma conexão em forma de 'T' preparadas por nós e feita com o próprio capilar de cobre utilizado na montagem anterior. Com o auxílio de três pedaços pequenos de mangueira presas por abraçadeira de arame interligamos as duas seringas ao sensor de pressão como mostra a Figura 4.

Figura 4Foto do experimento de Boyle e Mariotte

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## Resultados Experimentais para Lei de Charles

Os resultados experimentais obtidos, para uma certa quantidade de gás contida no sistema, estão representados na tabela e no gráfico abaixo, foram coletados no laboratório a uma temperatura ambiente de 24,0°C. Foram medidos a variação da pressão em milivolt (mv), através do multímitro, sendo este convertido para quilopascal (KPa) pelo fator de escala de 1,295, e da temperatura, através do termômetro, que também foi convertido para Kelvin (K). O gráfico Pressão x Temperatura (P x T) nos mostra claramente uma dependência linear confirmando que a pressão e a temperatura são diretamente proporcianais quando o volume é mantido constante. Vale salientar que os cinco primeiros pontos do gráfico foram descartados com o objetivo de adquirir uma curva mais perfeita, pois estes ficaram flutuando um pouco devido ao baixo sinal que o sensor dá nos primeiros valores coletados. Esta limitação pode ser sanada com a utilização de um amplificador.

Figura 5 Gráfico pressão versus temperatura

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Tabela 1 - Resultados obtidos do gráfico da Figura 5

## Resultados Experimentais para Lei de Boyle - Mariotte

O gráfico da Figuras 6 foi obtido com os dados coletados através do aparato montado para a lei de Boyle - Mariotte usando-se as duas seringas inicialmente descomprimidas de forma a ter um volume inicial de 8,7 mL a uma temperatura ambiente de 27 °C. A variação do volume (V) foi obtida diretamente da graduação da seringa em mililitros (mL). Com esses mesmos dados fizemos o gráfico da Figura 7 (P X 1/V) com o objetivo de analisarmos a linearidade. Na Tabela 2 podemos ver os resultados obtidos da análise quantitativa do gráfico da Figura 7. Podemos perceber uma sensível discrepância entre o resultado obtido e o teórico devido a um volume residual existente na parte interna do sensor e nas conexões das seringas que não pode ser efetivamente calculado, mas pode ser discutido e deve ser levado em consideração.

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Figura 6Representação da isoterma Figura 7Gráfico P versus 1/V. Linearização (P x V) à 25°C da relação de Boyle para o gráfico da Figura 6

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Tabela 2 Resultados obtidos do gráfico da Figura 7

## Considerações Finais

O nosso trabalho tem como objetivo central apresentar uma proposta, de acordo com a LDB os PCN's e PCN+, ao professor de Física no intuito de ajudá-lo na abordagem das propriedades termodinâmicas dos gases. Para tanto, mostramos um sistema experimental de baixo custo e fácil manuseio possibilitando ao professor demostrar aos alunos a validade das leis de Charles, Boyle e Mariotte, onde eles

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poderão ver e constatar que o produto PT é função do volume e o produto PV é função da temperatura para uma certa quantidade de gás. Isso possibilitará ao aluno uma melhor compreensão e interpretação das leis físicas que consequentemente irá facilitar o entendimento de situações observadas do seu dia-a-dia.

Outro ponto importante desse trabalho é mostrar ao professor que o sensor de pressão nos permite realizar e sanar de forma simples, um grande problema de se fazer experiências com gases, que é a medida da pressão, trabalhando sistemas experimentais e explorando de forma prática as leis físicas, ensinadas nas escolas, dando ao professor uma ferramenta poderosíssima que lhe ajudará a quebrar preconceitos dos alunos em relação a Física.

Analisando os gráficos apresentados neste trabalho, no qual foram obtidos através dos dados coletados pelo sistema experimental, podemos constatar a funcionalidade do sensor de pressão mencionado a pouco e utilizado no aparato.

## Referências

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