EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA: MODELO DIDÁTICO DE USINA TERMOELÉTRICA

## EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE FÍSICA: MODELO DIDÁTICO DE USINA TERMOELÉTRICA

## Fabrício Pimenta Neto , Luciano soares Pedroso , Mauro Sérgio 1 2 Teixeira de Araújo 3

1 Fundação de Ensino Superior de Passos/UEMG/Engenharia, fabricio.neto@fespmg.edu.br 2 Fundação de Ensino Superior de Passos/UEMG/Engenharia, luciano.pedroso@fespmg.edu.br 3 Universidade Cruzeiro do Sul/CENTEC, mstaraujo@uol.com.br

## Resumo

Nosso artigo relata a construção e validação de uma usina termoelétrica produzida com material de baixo custo e fácil aquisição por um grupo de alunos do 1º ano do Ensino Médio de uma escola pública. Durante a construção percebeu-se a motivação e empenho por parte dos integrantes dos grupos de trabalho, oportunizando um momento para se discutir o princípio de conservação de energia envolvido no processo de validação do experimento. Constatou-se que as atividades experimentais, onde os alunos são colocados a construir o aparato, resgata seus conhecimentos prévios e possibilita um grande envolvimento entre os alunos e entre os alunos e o professor. Os resultados obtidos com esta pesquisa foram muito significativos, pois demonstraram a importância da utilização da experimentação durante as aulas de Física no Ensino Médio, possibilitando a observação de três diferentes concepções sobre o papel da experimentação: para a compreensão contextual, como sinônimo de observação e para comprovação de teorias.

Palavras-chave: experimentação, usina termoelétrica, conservação da energia.

## Atividade Experimental no Ensino de Física

A utilização de atividades experimentais no ensino de Física tem sido objeto de investigação em diversos trabalhos, como em Alves Filho (2002), Araújo e Abib (2003), Borges, (2004), Gil-Pérez, et al. (2006), Cerri e Tomazello (2008), Silva, et al. (2009), Pedroso (2014) dentre outros.

Essas pesquisas possuem enfoques e objetivos diferentes, mas todas apresentam um ponto comum, destacam a importância da atividade experimental como forma de melhorar a qualidade da transposição didática dos conceitos científicos. Acredita-se que as situações concretas fornecidas pelos experimentos possibilitam a contextualização e a problematização do conteúdo a ser desenvolvido na sala de aula e, ao mesmo tempo, possibilita a construção dos conceitos necessários na solução de possíveis problemas que surgem quando os alunos são expostos à atividade experimental.

Os documentos oficiais, e dentre eles os Parâmetros Curriculares Nacionais para o ensino médio (PCN) e as Orientações Curriculares para o Ensino Médio (OCEM), apontam o uso de experimentos como estratégia de abordar diversos temas por fazerem parte da vida, da escola e do cotidiano de todos.

As atividades experimentais não devem ser exclusivamente realizadas em um laboratório com roteiros fechados e sim, partir de um problema ou questão a ser respondida (BRASIL, 2006, p.71).

As Ciências e em especial a Física são disciplinas que desenvolveram, no seu processo de construção, uma linguagem própria para suas representações, sendo composta de códigos específicos. O entendimento e utilização dessa linguagem necessitam de competências, que se referem à representação e comunicação, que serão acompanhadas da expressão do saber conceitual. A utilização dessa competência, segundo os PCN Ensino Médio, 1999, p. 29, propicia ao aluno entender enunciados; utilizar e compreender gráficos; expressar-se corretamente utilizando de forma adequada a linguagem física em situações dadas; saber utilizar elementos de representação simbólica, como exemplo, circuitos elétricos; saber descrever de forma clara e objetiva os conhecimentos físicos aprendidos, como relatos dos resultados de uma experiência de laboratório e saber sintetizá-las, através de esquemas relacionados a diferentes conceitos, processos ou propriedades, através da própria linguagem física trabalhada.

Ainda, segundo os PCN+, criado com a finalidade de complementar os PCNEM, o professor deve evitar experiências que se reduzem à execução de listas de procedimentos pré-fixados. O professor deve propor trabalhar com materiais de baixo custo, tais como pedaços de fios, garrafas usadas, pequenas lâmpadas, pilhas, ímãs, e também com aparelhos de medida mais elaborados com os multímetros e osciloscópios, sendo a principal preocupação a realização das competências com as atividades desenvolvidas.

- O conjunto de tudo que foi citado pelos PCNEM procura de diferentes formas a melhoria do ensino médio, onde além da reformulação da abordagem dos conteúdos ou tópicos de ensino, visa promover mudanças de ênfase, favorecendo a vida individual, social e profissional presente e futura do aluno que integra a escola.

As OCEM sinalizam que a experimentação não garante a produção de conhecimentos significativamente, mas é uma importante ferramenta para construção do mesmo.

## A Usina Termoelétrica

Em nossa proposta de atividade experimental a turma do 1º ano do Ensino Médio da Escola Estadual Ana Cândida de Figueiredo da cidade de São Sebastião do Paraíso - MG, composta de 28 alunos foi dividida em grupos de 4 alunos cada para que as observações realizadas durante as intervenções fossem facilitadas.

A montagem do experimento ocorreu após a devida explanação detalhada das etapas, bem como pela demonstração de uma usina termoelétrica construída pelos professores pesquisadores.

- A figura 1 mostra o Modelo didático da usina construída pelos professores pesquisadores onde, ao ser exposta à sala, os alunos questionaram sobre a montagem e os equipamentos necessários para o funcionamento adequado da usina termoelétrica.

Figura 1: Modelo didático da Usina termoelétrica construída pelos professores pesquisadores.

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## Objetivos da construção do Modelo didático da Usina Termelétrica

A construção do modelo didático da Usina Termelétrica procurou desenvolver nos alunos novas práticas de construção e linguagens, entrelaçando com os conhecimentos anteriores sem deixa-los de relacionar com as linguagens e práticas do cotidiano dos alunos envolvidos.

Dentre os objetivos propostos para a construção da Usina Termelétrica destaca-se;

Superação das concepções empírico-indutivistas da ciência: os alunos levantaram hipóteses e a partir de seus conhecimentos prévios, levaram essas hipóteses a provas.

Promover a argumentação dos alunos : Outro ponto importante para superação das dificuldades é tornar a aula de Ciência/Física argumentativas, proporcionando ao aluno condições necessárias para que ele apresente uma argumentação com justificativa para transformar fatos em evidências.

Segundo Driver, Newton e Osborne (2000), as observações e as experiências não são a rocha sobre a qual a Ciência é construída, essa rocha é a atividade racional de argumentos com base em dados obtidos.

A sala de aula deve criar um ambiente de aprendizagem de modo que os alunos adquiram a habilidade de argumentar a partir de dados obtidos, procurando a construção de justificativas.

Incorporar ferramentas matemáticas : Observar se as aulas estão oferecendo a oportunidade de incorporar o papel essencial das matemáticas no desenvolvimento científico.

Transpor o novo conhecimento para a vida social : Percebe-se a necessidade de verificar se atividades experimentais está proporcionando a transposição do conhecimento aprendido para a vida social, procurando buscar as complexas relações entre ciência, tecnologia e sociedade, procurando generalizar e/ou aplicar o conhecimento adquirido, relacionando-o com a sociedade em que vivem.

Atividades como essas promovem o questionamento e o envolvimento ativo dos alunos, estimulando o trabalho em grupo, estabelecendo relações entre o conhecimento e os resultados obtidos, não privilegiando assim a memorização.

Neste aspecto, nosso aparato experimental possui, segundo Araújo e Abib (2002), enfoque qualitativo e quantitativo, representados na figura 2 pelas cores azul e cinza respectivamente.

Figura 2: Mapa Síntese do enfoque dado ao nosso aparato experimental .

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## Construção da usina Termoelétrica

Para a construção da usina termoelétrica utilizou-se de ferramentas simples, como por exemplo, martelo, tesoura e ferro de solda, sendo ainda empregados os seguintes materiais: Madeira para a base; cano de cobre de 5 mm; cooler de computador; LED; Multímetro digital; fio de cobre fino; massa epóxi; giz e álcool. Foi possível constatar que alguns alunos demonstraram destreza ao manipular as ferramentas, sinalizando que já as conheciam. A facilidade desses alunos em manipularem algumas das ferramentas tornou a aula um momento de troca de experiências entre os colegas de grupo e entre os grupos.

A figura 3 relata o momento de construção do modelo didático da usina por um dos grupos.

Figura 3: Construção da usina termoelétrica por um dos grupos.

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Material necessário e procedimento de montagem do Modelo Didático da Usina Termoelétrica

Material necessário:

- 1. Uma latinha de refrigerante pequena, cerca de 250 ml.
- 2. Um prego fino para fazer um furo na latinha.
- 3. Uma prancha de madeira cerca de (10 cm X 20 cm) de qualquer espessura.

- 4. Uma lamparina ou material para fabricar um dispositivo para substituir a lamparina a álcool.
- 5. Um cooler (de computador), pode ser usado um daqueles em miniaturas utilizados para dissipar calor nos circuitos eletrônicos e que funcionam com pequena voltagem.
- 6. Uma seringa comum de plástico de qualquer tamanho.
- 7. Um galvanômetro ou um multímetro.
- 8. Um LED
- 9. Um bloco de madeira cerca de (10 cm X 2 cm X 2cm)
- 10. Uma lixa.
- 11. Um tubo de cobre de diâmetro bem pequeno (8 cm de comprimento por 5 mm de diâmetro)

## Procedimento de montagem

Com o prego faça um furo na tampa da latinha de refrigerante, próximo à lateral da latinha, veja esquema na figura 04.

- 1. Retire o líquido deixando escoar em um recipiente qualquer.
- 2. Lixe ao redor do furo e prepare o Epóxi para afixar o tubo de cobre.
- 3. Prepare o Epóxi para modelar um bico bem fino na ponta do tubo de cobre por onde sairá o vapor em alta pressão.
- 4. Encha a seringa com água e injete pelo furo da latinha, cerca de 80 ml de água.
- 5. Fixe a latinha prendendo-a em um suporte não inflamável de modo que ela fique um pouco, 1 cm, por exemplo, acima da chama da lamparina.
- 6. Fixe o cooler no bloco de madeira e o posicione de modo que o vapor saindo do orifício do tubo de cobre incida diretamente nas hélices forçando-as a girar.
- 7. Conecte os terminais do cooler, aos terminais do galvanômetro ou multímetro ou LED .
- 8. Se for usar um multímetro utilize sua escala que mede décimos ou centésimos de volts.
- 9. Coloque a lamparina sob a latinha. Certifique que a montagem está correta e acenda a lamparina.

Figura 4: Montagem inicial da câmara de compressão.

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A usina foi composta das seguintes partes:

Figura 5: Componentes da usina termoelétrica.

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Após a construção do experimento os alunos passaram a investigar o funcionamento da usina. Primeiramente, com o auxílio do multímetro, os alunos mediram a tensão fornecida pelo cooler acionado pela pressão do vapor contido na câmara de compressão. Os resultados obtidos estão contidos na tabela 1.

Tabela 1: Tensão obtida pela usina termoelétrica

A figura 6 ilustra o momento em que o grupo G7 efetua a medição da tensão fornecida pelo cooler .

Figura 6: Medida, realizada pelo grupo 7, da tensão gerada pelo cooler.

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Logo após aferirem a tensão fornecida pela usina, passou-se à instalação do LED (diodo emissor de luz). O LED que se utilizou na usina era de cor vermelha que,

de acordo com o fabricante, necessita de 1,6 V para emitir luz. Os alunos descobriram, por tentativa e erro, o que significa ser um diodo , e após a descoberta, 1 passaram a conectá-lo de maneira correta no cooler (gerador elétrico), conforme se observa na figura 7.

Figura 7: Instalação do LED no cooler.

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Após a instalação do LED no gerador, testou-se o funcionamento da usina termoelétrica.

Os conceitos físicos explorados ao longo do funcionamento da termoelétrica foram:

## 1º) leitura da indicação do grau INPM contido no álcool utilizado:

O grau INPM (Instituto Nacional de Pesos e Medidas) °INPM (%P= porcentagem de álcool em peso ou grau alcoólico INPM) significa a quantidade em gramas de álcool absoluto contida em 100 gramas de mistura hidro alcoólica. O frasco de álcool que utilizamos indicava, conforme a figura 8, 92,8 graus INPM, isso significa que tem 92,8% em massa de álcool, e 7,2% em massa de água. A unidade INPM é uma unidade utilizada pelo Instituto Nacional de Pesos e Medidas, hoje INMETRO, para informar o volume de álcool etílico contido em cada litro em qual percentual ele foi diluído.

Figura 7: Indicação do grau de INPM do álcool utilizado na usina termoelétrica .

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## 2º) Leitura da temperatura de queima do álcool:

Neste momento os grupos foram questionados, sobre o procedimento de se aferir a temperatura de queima do álcool. O grupo 2 propôs utilizar-se de um termômetro clínico. Ao pesquisarem sobre a temperatura máxima suportada por esse tipo de termômetro perceberam ser impossível usá-lo com instrumento de medida, pois acreditavam que a temperatura de queima do álcool era superior a 50 ºC, indicação máxima do termômetro clínico. O grupo 4 sugeriu utilizar uma barra de metal (chumbo) expondo-a diretamente às chamas do fogo. Caso a barra fosse derretida, saberiam a temperatura do fogo. Logo os grupos iniciaram uma discussão apontando a imprecisão nessa medida. Após algumas sugestões dos grupos os professores pesquisadores demonstrou-lhes o termômetro de infravermelho, figura 8

e comentou seu princípio de funcionamento e finalidade comentando que esse tipo de termômetro é usado em oficinas mecânicas para aferir temperaturas dos motores, na calibração de aparelhos de ar condicionado, na aferição de temperatura de peças que ficam muito tempo em contato (atrito) e na verificação de temperatura em locais de difícil acesso.

Figura 8: Termômetro infravermelho utilizado no experimento.

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- 3º) Vaporização da água na câmara de compressão:

A temperatura da chama produzida pelo álcool chega a aproximadamente 1900 ºC, mas com o auxílio do termômetro de infravermelho constatou-se que a temperatura da chama que chega à câmara de compressão estava em torno de 330 ºC, o que está de acordo com nossas observações, pois o ponto de fusão do alumínio, material de construção da câmara de compressão, está em torno de 660 ºC.

Na experimentação realizada pelo grupo 2, colocou-se 150 mL de água na câmara de compressão e a variação de temperatura do sistema chama do álcool/água ficou em torno de 325 ºC.

- O grupo 2 utilizou-se da equação da calorimetria (Q=m.c. Δ T) para determinar a quantidade de caloria que foi transferida do álcool para a água e constatou que Q = 48,75 cal de energia no tempo total de 6 minutos, o que fez com que a água entrasse em ebulição em aproximadamente 3 minutos e 20 segundos. No entanto, foram necessários mais de 5 minutos para a pressão do vapor gerado na câmara de compressão atingir seu valor máximo, fazendo com que o gerador elétrico ( cooler ) indicasse 1,95 V.

## Rendimentos da usina termelétrica

O grupo 5 calculou o rendimento da sua usina termelétrica. Após a realização de pesquisas sobre a potência do LED e das equações que possibilitassem obter o resultado esperado, constataram que:

- 9 Potência do LED vermelho (segundo o fabricante) = 29 mW = 0,029 W;
- 9 Um cal = 4,18 J (Joules);
- 9 Tempo de permanecia do LED acesso = 5 minutos = 300 s;
- 9 Energia necessária para manter o LED aceso por cinco minutos = 8,7 J;
- 9 Energia fornecida pelo álcool à água na câmara de compressão = 203,8 J;
- 9 Rendimento da usina do grupo 5 = r = 4,3%.

Nesse momento os professores pesquisadores comentaram as grandes dissipações de energia durante o processo, indicando que chegaram a mais de 95% e pediu aos grupos que fizessem o levantamento desse tipo de dissipação, descrevendo, com detalhes, o que ocorreu com toda essa transformação de energia.

## Conclusão

Em relação à utilização da experimentação como recurso metodológico, consideramos que essa atividade experimental envolveu o controle e a manipulação de muitas variáveis. Nesse sentido, nosso aparato experimental foi ponto de partida para o estudo de conceitos de energia relacionados com ideias a serem problematizadas e discutidas em aula.

Nessa concepção, percebeu-se a necessidade dos alunos dialogarem com os conhecimentos da Física (energia e suas transformações), possibilitando observações e interpretações dos fenômenos em um experimento, superando a separações entre teoria e prática experimental. Assevera-se que nossa atividade experimental contribuiu na aprendizagem dos alunos sobre a natureza da ciência, valorizando o caráter social da produção do conhecimento científico, sendo que, 'é justamente na exploração de novos domínios, muito susceptível a erros, que está à construção do conhecimento' (AULER, 2007, p. 4).

Desse modo, a construção e validação da usina termoelétrica possibilitou o contato dos alunos com processos experimentais de análise numa abordagem de Ciência, Tecnologia e Sociedade (CTS) levando-os a compreender o papel da experimentação na produção do conhecimento científico e sua relação nas interfaces com a tecnologia e com a sociedade.

## Referências

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ARAÚJO, M.S.T.; ABIB, M.L.V.S. Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 25, n. 2: p.176-194, 2003.

AULER, D. Enfoque Ciência-Tecnologia-Sociedade: pressupostos para o contexto brasileiro. Ciência &amp; Ensino , Campinas - SP, v. 1, n. Especial, p. 1-12, 2007.

BORGES, A. T. Novos rumos para o laboratório escolar de ciências. Caderno Brasileiro de Ensino de Física , v. 24, edição especial, p.9-30, nov. 2004.

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CERRI, Y. L. N. S; TOMAZELLO, M. G. C. Crianças aprendem melhor ciências por meio da experimentação. In: PAVÃO, A. C. &amp; FREITAS, D. (Orgs .) Quanta Ciência há no Ensino de Ciências . São Carlos: EDUFSCar, pp. 332, 2008.

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