PIBID/UFRJ-FÍSICA EM SALA DE AULA: DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DO CALOR ESPECÍFICO DA ÁGUA

## PIBID/UFRJ-FÍSICA EM SALA DE AULA: DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DO CALOR ESPECÍFICO DA ÁGUA *

Matheus Costa Paiva de Souza 1 , Endrey William Ferreira Silva , Rodolfo Jesus 2 Souza Costa 3 , Pedro Henrique Ferreira , Caroline Chagas 4 5 , Mariana de A. J. Barros 6 e Vitorvani Soares 7

1 UFRJ/Instituto de Física, matheuscps\_1@hotmail.com

- 2 UFRJ/Instituto de Física, endrey\_william@hotmail.com
- 3 UFRJ/Instituto de Física, rodolfo.djscosta@gmail.com
- 4 UFRJ/Instituto de Física, pedro.if\_ufrj@hotmail.com
- 5 UFRJ/Instituto de Física, anacarolinechagas@hotmail.com
- 6 SEEDUC-RJ/C.E. Aydano de Almeida, mariana\_jbarros@yahoo.com.br

7

UFRJ/Instituto de Física, vsoares@if.ufrj.br

## Resumo

Apresentamos neste trabalho uma atividade experimental para a determinação do calor especifico da água a partir de diferentes curvas de aquecimento a que ela é submetida. A atividade foi aplicada em turmas de 2ª ano do Ensino Médio no horário regular de aula por membros do subprojeto Física do PIBID/UFRJ na Escola Estadual Aydano de Almeida, a qual exige a construção e a análise do comportamento da temperatura em função do tempo do aquecimento de diferentes massas de água. Ao realizar a atividade, esperamos que os alunos se familiarizem com os diferentes processos de medida das grandezas físicas e de suas representações gráficas. A atividade experimental que elaboramos permite a determinação do calor especifico da água com uma discrepância da ordem de 20% do seu valor tabelado e, além de desenvolver as habilidades e competências dos alunos em relação ao processo de medida e de sua representação, também trouxe para a sala de aula uma abordagem mais participativa dos estudantes em relação aos conteúdos de calorimetria.

Palavras-chave : curva de aquecimento, roteiro, PIBID, atividade experimental, ensino de física.

## Introdução

O PIBID/UFRJ-Física recebe o apoio do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência - PIBID que tem por objetivo o aprimoramento da formação de licenciandos das instituições de educação superior (IES) através da sua atuação conjunta com os docentes das escolas de educação básica, sob a coordenação de professores de instituições de ensino superior. Sempre abordando temas relacionados aos conteúdos e competências sugeridos pelo currículo mínimo, a equipe PIBID/Física - UFRJ conta com a colaboração de um professor orientador,

*

Apoio CAPES

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

23 a 27 de janeiro de 2017

um professor supervisor e cinco licenciandos, que juntos elaboram e desenvolvem atividades voltadas ao ensino público.

A atividade que apresentamos neste trabalho, a determinação do calor especifico da água a partir das suas curvas de aquecimento, foi proposta pela equipe de participantes do subprojeto PIBID/UFRJ-Física que atua no Colégio Estadual Aydano de Almeida e foi aplicada em turmas do 2º ano do ensino médio em horário regular. Além de servir de introdução ao estudo da calorimetria, a determinação do calor especifico da água por meio desse procedimento exige dos alunos o desenvolvimento das suas habilidades na leitura e na interpretação de gráficos. Ao realizarmos o experimento em sala de aula, atendemos às orientações das Leis de Diretrizes e Bases da educação (LDB) (BRASIL, 1996) e dos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) (BRASIL, 1998; BRASIL, 2000; BRASIL, 2002a; BRASIL, 2002b; BRASIL, 2006) e pretendemos desenvolver as seguintes habilidades e competências dos alunos, sugeridas pelo currículo mínimo e nos PCN+ de Física (BRASIL,2002a, p. 8-12):

- 1. Construir sentenças ou esquemas para a resolução de problemas; construir tabelas e transformá-las em gráfico, para, por exemplo, descrever o consumo de energia elétrica de uma residência, o gasto de combustível de um automóvel, em função do tempo, ou a posição relativa do Sol ao longo do dia ou do ano;
- 2. Ler e interpretar corretamente tabelas, gráficos, esquemas e diagramas apresentados em textos;
- 3. Compreender que tabelas, gráficos e expressões matemáticas podem ser diferentes formas de representação de uma mesma relação, com potencialidades e limitações próprias, para ser capaz de escolher e fazer uso da linguagem mais apropriada em cada situação, além de poder traduzir entre si os significados dessas várias linguagens;
- 4. Compreender a necessidade de fazer uso de escalas apropriadas para ser capaz de construir gráficos ou representações como, por exemplo, a planta de uma casa ou o mapa de uma cidade;
- 5. Reconhecer a relação entre diferentes grandezas, ou relações de causa-efeito, para ser capaz de estabelecer previsões.

## Ensino e aprendizagem de calorimetria no Ensino Médio

O estudo da calorimetria, no ensino médio, na maioria das vezes, é apresentado somente de forma expositiva, com pouco ou mesmo nenhuma abordagem experimental. É comum alunos somente memorizarem as equações fundamentais da calorimetria, mas não conhecerem as formas pelas quais tais equações foram estabelecidas experimentalmente.

Outro ponto a ressaltar sobre o estudo da calorimetria no ensino médio é a abordagem encontrada nos livros-texto tradicionais. Como aponta Lemos (2013), a equação fundamental da calorimetria é apresentada com os conceitos base - calor, capacidade térmica e temperatura - ainda não bem definidos pelos alunos, o que não auxilia o professor na exposição da sua aula tradicional.

## Descrição do experimento e aplicação em sala de aula

A experiência foi elaborada fundamentalmente para a construção e a interpretação do gráfico da temperatura em função do tempo de determinada massa

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

de água ao ser aquecida. Para tal, utilizamos os seguintes materiais: um recipiente para acondicionar a água, uma garrafa plástica, um ebulidor elétrico, um termômetro à álcool, um cronômetro no aparelho celular, uma balança e os roteiros do experimento que preparamos.

Os alunos enchem uma garrafa e a pesam com a assistência dos monitores. Após determinar massa de água no recipiente, por exemplo, 2 litros, a temperatura inicial da amostra é medida com o auxílio do termômetro e o aluno inicia o aquecimento da água. Os alunos são os responsáveis pela marcação do intervalo de tempo transcorrido a cada variação de pelo menos 10ºC na temperatura da amostra.

Os dados são organizados em tabelas de temperatura em função do intervalo de tempo e, posteriormente, são representados nos gráficos correspondentes. Quando a temperatura do líquido alcança 90ºC, o aquecimento é interrompido. Em seguida, realizamos o experimento novamente, aquecendo uma quantidade de água diferente. Vale ressaltar que durante a atividade os monitores estimulam os alunos a responder quais os parâmetros físicos relevantes para a descrição dos experimentos. Ao final da atividade os alunos devem construir os gráficos, como ilustrado nas figuras 1, 2 e 3, e responder às questões presentes no roteiro.

Figura 1: Gráfico da temperatura T no interior do recipiente vs. intervalo de tempo transcorrido t para massas de água igual a 0,50, 1,0, 2,0, 3,0 e 4,0 kg. Observe a variação praticamente linear da temperatura no intervalo de tempo considerado durante o aquecimento com um aquecedor.

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Figura 2: Gráfico do coeficiente angular b de cada reta de aquecimento vs. massa m de água. Observamos o caráter hiperbólico do comportamento do coeficiente b. A primeira curva foi realizada com um aquecedor e a segunda, com dois aquecedores idênticos.

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Figura 3: Gráfico do produto do coeficiente angular b das retas de aquecimento pelas massas m, bm vs. massa m de água. Observe a constância do produto dos dois coeficientes. A curva mais baixa é para um aquecedor e a outra para dois aquecedores.

<!-- image -->

## Resultados

O calor específico de um corpo é definido como a quantidade de energia necessária para fazer uma unidade de massa do corpo variar a sua temperatura em uma unidade. Desse modo, podemos escrever a seguinte fórmula matemática:

<!-- image -->

Da experiência, temos que a energia fornecida pelo aquecedor é , onde P é a potência do ebulidor e Δ t corresponde à duração de funcionamento do equipamento. Portanto, a equação acima toma a seguinte forma:

Sabemos também da experiência que o quociente , onde b é o coeficiente angular das retas da Figura 1. Obtemos, então, que:

<!-- formula-not-decoded -->

pois também aprendemos da experiência (Figura 2) que o produto mb é linearmente proporcional à potencia P do aquecedor: . Pela análise dos dados obtidos

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

no experimento determinamos o valor de = 0,19 g°C/J. Desse modo, o valor do calor especifico da água corresponde a c = 5,19 J/g°C, resultado que apresenta cerca de 20% de discrepância em relação ao valor tabelado de cT = 4,18 J/g°C.

## Discussão

A atividade apresentada neste trabalho permitiu aos alunos definir e discutir aspectos teóricos envolvendo os conceitos físicos correspondentes à calorimetria, a partir de uma atividade experimental, e determinar o valor do calor específico da água. Essa discussão foi motivada por questões presentes em um roteiro por nós elaborado e pelas indagações realizadas pelos licenciandos durante a aplicação da atividade em sala de aula. Com isso, através da análise das resposta dos estudantes às questões do roteiro, percebemos que os estudantes apresentam um melhor desempenho em relação à compreensão e à aplicação dos conceitos físicos relacionados à experiência. Grande parte dos alunos constrói corretamente o gráfico da temperatura em função do intervalo de tempo e responde corretamente às questões presentes no roteiro. Para os licenciandos do subprojeto PIBID/Física UFRJ foi uma oportunidade de atuar ativamente em sala de aula, uma vez que eram os responsáveis pela supervisão do trabalho. Outro ponto importante foi o protagonismo dos estudantes, ao conduzir os experimentos e realizar as medidas necessárias, a despeito da dificuldade natural em obter medições muito precisas.

## Considerações finais

Por meio da atividade apresentada, planejada e aplicada pela equipe do subprojeto PIBID/Física - UFRJ do Colégio Aydano de Almeida, os alunos do 2º ano do ensino médio tiveram acesso a um tratamento experimental sobre um tema geralmente apresentado de maneira teórica. Por conta disso, observamos um aumento no desempenho qualitativo do grupo de alunos participantes da atividade. O interesse do alunado nessa atividade e em aulas posteriores e a melhora qualitativa sugerem que, em termos educacionais, a atividade foi um elemento importante para os alunos, para o professor responsável pela turma e para os seus monitores.

## Referências

BRASIL. Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional . Brasília: Congresso Nacional, 1996. Lei no 9.394, de 20 de dezembro de 1996. Acesso em: 06/10/2016 &lt;http://www.mec.gov.br&gt;.

BRASIL. Parâmetros Curriculares Nacionais. Brasília: MEC/SEF, 1998.GLYPH&lt;31&gt;BRASIL. Parâmetros Curriculares Nacionais - Ensino Médio. Brasília: SEMTEC/MEC, 2000.

BRASIL. PCN+Ensino Médio: orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais; Ciências da natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília: MEC/SEMTEC, 2002.

BRASIL. PCN+Física: orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais: Ciências da natureza, Matemática e suas tecnologias. Brasília: MEC/SEMTEC, 2002.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

BRASIL. PCN+Ensino Médio:orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais - Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias. Brasília: MEC/SEMTEC, 2006.

LEMOS, A. S. A Equação Fundamental da Calorimetria. Dissertação (Trabalho de final de curso) - Curso de Licenciatura em Física, Instituto de Física, Rio de Janeiro, Setembro 2013.

## Apêndice: Roteiro experimental da curva de aquecimento da água

## Colégio Estadual Aydano de Almeida

Nilópolis, \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ de 2016.

Estudante(s):\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ Nº:\_\_\_\_\_\_\_ Turma \_\_\_\_\_ :

Professor: Mariana Barros. Monitores: Endrey William, Rodolfo Costa e Matheus Costa.

## Curva de aquecimento

## Introdução

Medir temperaturas é importantíssimo para a Ciência. Durante anos, o homem, por meio do seu tato, identificava os corpos como 'quentes' e 'frios'. Contudo, essa informação qualitativa e comparativa não era suficiente. Então, para obter uma informação mais confiável, que fosse relacionada às propriedades dos corpos e não a comparações entre corpos, foram inventados os termômetros. Os primeiros termômetros funcionavam a partir da dilatação de corpos, usualmente líquidos. Um exemplo de termômetro é o conhecido termômetro de mercúrio, que funciona a partir da dilatação do mercúrio encerrado num capilar. Com a consequente evolução tecnológica, hoje somos capazes de medir temperaturas com termômetros a partir de radiação eletromagnética.

Uma das substâncias mais abundantes na Natureza é a água, a fonte da vida. O estudo das propriedades físicas e químicas da água é algo de notável importância. Desde os primórdios da ciência, a água é estudada. Ainda atualmente, a água é objeto de estudo para diversos cientistas ao redor do globo terrestre. Algumas das características mais marcantes da água são os seus pontos de fusão temperatura na qual a água líquida torna-se gelo e vice versa - e de ebulição temperatura na qual a água líquida torna-se vapor d'água.

## Objetivo

Nossos objetivos primordiais consistem em aprendermos a realizar medidas e construir um gráfico relacionando as medidas efetuadas.

## Procedimento

Iremos encerrar determinada massa de água num recipiente -a densidade da água é ρ H²O = 1 g/cm . Aqueceremos esse sistema utilizando um 3 ebulidor. Em intervalos de temperatura de 10ºC, mediremos o tempo transcorrido. Esse procedimento será realizado até o momento em que a água se tornar vapor d'água.

Após o termino do procedimento, um gráfico relacionando temperatura e tempo será construído num papel milimetrado.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

23 a 27 de janeiro de 2017

## Atividade

Nessa dinâmica, iremos construir a curva de aquecimento da água. Essa curva consiste num gráfico que relaciona a temperatura da água e o tempo de aquecimento correspondentes . Preencha a tabela abaixo com valores para o tempo e temperatura com 15 medidas retiradas.

## Questionário:

- 1) A qual curva o conjunto dos pontos do gráfico se assemelha? Qual é a equação dessa curva?
- 2) Se a curva for uma reta, qual o coeficiente angular da reta - inclinação da reta? Ainda se for uma reta, qual significado físico do coeficiente angular da reta?
- 3) A mudança da massa de água usada no aquecimento influencia na curva? Justifique sua resposta.

## Bibliografia:

https://www.danilorvieira.com/disciplinas/fep0112/calorimetria.php

Nussenzveig, Herch Moysés. Curso de Física Básica - vol.2 / H. Moysés Nussenzveig - 4ª edição ver. - São Paulo: Blucher - 2002

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_