A CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DE EXPERIMENTOS DE BAIXO CUSTO

## A CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DE EXPERIMENTOS DE BAIXO CUSTO

## Anderson Lupo Nunes 1 , Letícia Alaburda de Araújo e Morgana de Luna 2 Mortoni da Silva 3

## Resumo

É feito um estudo de como apresentar os conceitos de conservação de energia usando-se o recurso de experimentos de baixo custo, sempre partindo de uma informação mais simples e concreta para se explicar algo mais complexo e abstrato. É feita uma revisão bibliográfica a respeito das principais formas de energia, na busca de estratégias para a construção de aparatos experimentais de baixo custo e aplicações em aulas experimentais ministradas aos alunos dos cursos integrados de ensino médio-técnico do Campus Duque de Caxias do IFRJ e sobre as origens históricas do conceito de conservação de energia e as perspectivas de geração de energia diante do crescente aumento populacional e tecnológico. São apresentadas com um certo nível de detalhamento as principais formas de geração de energia da atualidade. São apresentadas as suas vantagens e desvantagens, bem como a aplicação dos conceitos de conversão de uma forma de energia em outra. Foi desenvolvida pesquisa acerca da transformação da energia térmica em energia mecânica e em seguida a transformação da energia mecânica em energia elétrica. É feita a produção de material impresso, digital e áudio visual acerca das instruções detalhadas de como aplicar a metodologia, desde a produção dos aparatos experimentais, até a execução da aula e sua posterior avaliação. Verifica-se toda a viabilidade do projeto no seu aspecto financeiro e institucional. Desta forma, o projeto produz experimentos que com um baixo custo para serem acessíveis aos docentes que atuam nas condições mais precárias e que, ainda assim, seja capaz de motivar o aluno de Física a estudar a disciplina como uma forma de melhor compreender as questões energéticas.

Palavras-chave : energia, conservação de energia, experimentação

## 1 - Introdução

Segundo o célebre físico norte-americano, e excelente educador, Richard P. Feynman a energia trata-se de uma ideia extremamente abstrata, por ser um princípio matemático. A Física ainda não tem uma ideia mais abrangente da energia do que simplesmente um número que se conserva inalterado para qualquer processo físico conhecido. É uma regra do jogo da Natureza que até agora nos parece não ter exceção. Acredita-se que a melhor estratégia para fazer com que os alunos possam compreender este conceito tão importante seja a partir de uma experimentação direta acerca de alguns processos de transformação de um tipo de energia em outro.

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Assim sendo, o problema conceitual e didático de ensinar de modo satisfatório o princípio de conversação de energia pode ser equacionado através de uma série de experimentos que ao mesmo tempo tratam de alguns processos de geração de energia, que nada mais é do que a transformação de uma forma de energia que está disponível na Natureza em uma forma de energia que irá atender parte da crescente demanda tecnológica do mundo moderno.

No contexto global a geração de energia elétrica consiste um problema de grande relevância em face do aumento de demanda de energia elétrica e da poluição ao meio ambiente decorrente deste processo. Assim sendo, este trabalho permite também uma reflexão crítica acerca do tema.

Desta forma usa-se uma série de experimentos sobre a conservação de energia e que tornar-se-ão também exemplos de geração de energia que devem possuir um baixo custo a fim de que possam ser acessíveis aos docentes que atuam nas condições mais precárias e permitir a participação de alunos que tenham uma condição socioeconômica mais desfavorável.

## 1.1 - Justificativa

Este projeto se justifica por dois pontos fundamentais. Em primeiro lugar, como exposto pela breve revisão bibliográfica, o princípio de Conservação de Energia pode ser demonstrado a partir de experimentos onde ocorre a conversão de energia de uma forma em outra, o que torna propício um melhor aprendizado de um conceito da Física tão relevante. Em segundo lugar, os experimentos onde ocorre a conversão de energia podem resultar em geração de energia o que é uma problemática bastante séria quando se observa os seus impactos ambientais e assim o aluno pode ser levado a refletir criticamente acerca do tema.

## 1.2 - Objetivos

- O Objetivo Geral deste projeto é levar os alunos a uma melhor aprendizagem acerca do princípio de conservação de energia a partir de experimentos de baixo custo a fim de possa haver também uma contextualização sobre os processos de geração de energia em face da crescente demanda de energia e do seu decorrente impacto ambiental e estimular o surgimento de um pensamento crítico acerca da experimentação realizada.
- O primeiro objetivo específico consiste em realizar uma pesquisa visando uma construção dos aparatos experimentais que devem ser testados e aperfeiçoados antes de sua aplicação efetiva em aulas sobre o princípio da conservação de energia.
- O segundo objetivo específico trata-se de preparar os roteiros e as estratégias para a abordagem do tema e a realização da aula experimental propriamente dita.
- O terceiro objetivo específico trata-se de realizar as aulas experimentais em seguimentos discentes distintos onde são ministradas aulas de Física sobre o tema conservação de energia no Campus Duque de Caxias do IFRJ.

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## 2 - O Conceito de Energia

Os conceitos acerca da conservação de energia e da definição de energia encontram-se profundamente interligados. A energia é definida como uma quantidade que se conserva independente dos processos físicos que estão ocorrendo naquele sistema.

'Não é a descrição de um mecanismo ou de algo concreto. É simplesmente um número que é calculado e permanece inalterado quando terminamos de observar as peripécias da Natureza.' (FEYNMAN et. al., 1977, p. 4-1)

Em geral, esta ideia básica acerca da energia permanece também em diversas outras referências, tais como, por exemplo, o Halliday et. al. (2009) e o Nussenzveig (1997). O princípio de conservação de energia estabelece que a quantidade total de energia em um sistema fechado permanece constante. Desde os primórdios do surgimento do método científico nenhum experimento violou este princípio que é considerado um dos mais fundamentais da Física (HALLIDAY et. al., 2009).

As primeiras ideias fundamentais o princípio de conservação de energia tem origem na Grécia Antiga. Ramos e Ponczec (2011) afirmam que foi a partir do século V A.C., na Grécia, que a mitologia foi sendo substituída pela visão filosófica de que o universo seria construído a partir de um elemento primordial.

Foi a partir do século XVII com Galileu (1564-1642) e Newton (1642-1727) que a matemática passou a ser considerada a linguagem fundamental da Física, o que permitiu a modelagem dos processos físicos em termos de expressões matemáticas, conforme afirmam Wynn e Wiggins (2002). Segundo Pietrocola et al. (2013), Descartes (1596-1650) afirma que o movimento dos corpos é decorrente de uma perturbação inicial no sublime instante da criação do universo e que esta quantidade de movimento inicial é constante no universo.

Gottfried Leibniz (1646-1716) estabelece uma concepção de movimento diretamente ligada à energia cinética de acordo com Ramos e Ponczec (2011). Ele considera que o estudo acerca do movimento dos corpos deveria ser feito a partir de uma certa quantidade que ele denominou como vis viva que é o produto da massa pelo quadrado da velocidade, mv2. Assim, esta quantidade, segundo Leibniz (1973), não podia ser criada e nem destruída, mas conservada em todo o universo.

Souza Filho (1992) relata que ao longo dos séculos XVIII e XIX muitos cientistas puderam comprovar o princípio de conservação de energia a partir da observação de diversos fenômenos, tais como a produção de trabalho mecânico pelas máquinas a vapor e nos processos de transformação química, mas ressalta que a formulação deste princípio foi feita primeiramente por Hermann Von Helmholtz (1821-1894).

As inovações tecnológicas ocorridas no final do século XIX e ao longo do século XX resultaram em profundas transformações sociais, culturais e econômicas. Diversos autores tratam do assunto, tais como Michel Focault, Arthur C. Clarck, Marcos Silva, Vani Kenski, etc. Segundo Wiener (1954), as mudanças na Ciência e Tecnologia propiciaram uma mudança geral. A demanda cada vez maior de energia elétrica pode ser considerada como indicativa das transformações gerais. Hawking (2002) argumenta que se o crescimento da população e o aumento do consumo de energia elétrica continuarem no ritmo atual, a população ficará ombro a ombro e o consumo de eletricidade deixará a Terra incandescente. Não existe um sinal de que

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o progresso tecnológico irá cessar. Isso implica, naturalmente, um aumento cada vez maior da geração de energia elétrica que é possível a partir do princípio de conservação de energia conforme Chaves e Shellard (2005).

A busca de fontes alternativas de geração de energia e o aperfeiçoamento daquelas que na atualidade atendem a maior parte da demanda de geração de energia elétrica no planeta demanda um esforço cada vez maior para substituir àquelas que decorrem da queima de combustíveis fósseis por outras que minimizem os impactos ambientais de acordo com Chaves e Shellard (2005). Diversos trabalhos científicos versam sobre o tema do aquecimento global e o possível agravamento do quadro por conta da poluição produzida pelo ser humano, onde é possível citar: Wang e Chameides (2005), Cook et al (2013), dentre muitos outros. É surpreendente encontrar trabalhos bem antigos sobre o tema, como por exemplo, o de Arrhenius (1896).

Pelo exposto nesta breve revisão bibliográfica torna-se relevante a reflexão crítica sobre os meios de geração de energia e a perfeita compreensão de que eles são um exemplo de verificação experimental do princípio de conservação de energia.

## 3 - Experimento de transformação da energia térmica em energia elétrica

A transformação de energia térmica em energia mecânica e, esta, em energia elétrica foi o ápice da Revolução Industrial. A sua ideia surgiu muito antes através de Heron de Alexandria (10 d.C. - 80 d.C.) e foi chamada " aeolipile ". Tratase de uma pequena esfera de cobre com dois caninhos torcidos, contendo água em seu interior. Colocada sobre um tripé e sobre o fogo, a água fervia e o vapor que sai pelos caninhos faz com que a esfera tenha um movimento de rotação.

Figura 01: Aeolipile desenvolvido por Heron de Alexandria - extraído do site http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/vapor.htm

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O físico francês Denis Papin (1647-1712) criou a primeira máquina a vapor, onde o vapor impulsionava um mecanismo com êmbolo e cilindro. Foi Papin que inventou um aparelho similar à panela de pressão concebendo a primeira válvula de segurança para evitar a sua explosão. Uma máquina a vapor não cria energia do nada, ela utiliza o vapor para transformar a energia térmica liberada pela queima de um combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, a fim

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de realizar trabalho. Uma máquina a vapor possui uma fornalha, na qual se queima carvão, óleo, madeira ou algum outro combustível para produzir energia calorífica.

Um aparato experimental foi construído a partir do princípio da máquina a vapor e tem o objetivo demonstrar como acontece a conservação de energia, levando ao discente uma melhor compreensão desse conceito que é tão difícil de ensinar e de aprender. Nesse experimento foi possível observar a transformação de energia térmica para energia cinética de rotação, e finalmente, desta para energia elétrica.

Foram utilizados os seguintes materiais para a construção do aparato experimental: lata de refrigerante, alfinete, seringa, água, álcool, fósforo, lata de sardinha, alicate, extensão, cooler, balança, suporte de alumínio, becker, fio de cobre, multímetro, tacômetro digital, resistor e colheres de plástico.

O procedimento experimental para a construção do aparato da termoelétrica ou máquina a vapor consiste em:

- 1. Perfurar a lata de refrigerante cheia e lacrada com um alfinete;
- 2. Retirar todo o refrigerante da lata, utilizando uma seringa;
- 3. Colocar, aproximadamente, 200 g de água na lata;
- 4. Montar um gerador, utilizando o motor de um culler e colheres de plástico para as pás da turbina;
- 5. Montar uma caldeira feita com a lata de sardinha e depois um suporte para colocar a lata em cima da caldeira, a fim de ser aquecida;
- 6. Soldar o gerador a um resistor e um led, montando um circuito;
- 7. Ligar um multímetro nesse circuito, a fim de, medir a voltagem gerada no experimento;
- 8. Colocar álcool na caldeira e ascendê-la com um fósforo, começando assim, o ciclo da termoelétrica.

Figura 02: Aparato experimental desenvolvido no projeto (foto dos autores)

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Primeiramente, a energia da combustão é transformada em energia térmica. Uma parte desta energia passa para a caldeira onde se produz o vapor. A diferença entre o calor fornecido (pela fonte quente ou Qq) e o desprezado (para a fonte fria

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Qf) é igual ao trabalho, e que a razão do trabalho pela quantidade de calor fornecido (Qq) nos dá o rendimento. A energia térmica se transforma em energia cinética de rotação, pois vapor quente produz o movimento das pás. Esta energia mecânica disponível na saída da turbina é usada para acionar o gerador elétrico o qual, por sua vez, converte uma grande proporção da energia mecânica que recebe em energia elétrica. Certa quantidade dessa energia elétrica volta a se transformar em calor nos fios, barras gerais, transformadores e nos sistemas de transmissão. Finalmente, a energia elétrica restante é aproveitada para fazer funcionar motores e entre outros aparelhos elétricos. No caso do experimento foi utilizado para ascender o led. No experimento foi comprovada apenas a conservação entre a energia cinética de rotação e a energia elétrica.

A partir daí, foi feito o cálculo da energia cinética de rotação das pás e da energia elétrica gerada.

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Onde Ee = energia elétrica, Ec = energia cinética de rotação, v = diferença de potencial, R = resistência elétrica, ∆ t = tempo, I = momento de inércia e ω = velocidade angular. Para o cálculo do momento de inércia foi necessário calcular o volume contido em um recipiente cilíndrico contendo 7 pás idênticas àquelas usadas no gerador de corrente elétrica trituradas de modo a ocupar todo o volume do recipiente. Calcula-se a densidade da pá, onde cada pá é uma colher de plástico descartável cortada. Considera-se para efeitos de cálculo do momento de inércia cada pá como um retângulo de mesma densidade da colher triturada que foi colocada no recipiente, com o mesmo comprimento e espessura da pá real.

A velocidade angular foi medida com o tacômetro digital e as medidas de resistência elétrica e diferença de potencial elétrico forma feitas com o multímetro digital. O tempo foi registrado com um cronômetro digital. Considerando as perdas de energia por efeito Joule no fio e o atrito no eixo do cooler, obtivemos a confirmação do Princípio de Conservação de Energia dentro da margem de erro calculada a partir do erro relativo.

## 4 - Experimento de transformação da energia elétrica em energia mecânica

Para um dos experimentos sobre conservação de energia, foi aproveitado o motor de um ventilador de teto em desuso, para medir a energia inicial e a energia final, para demonstrar a conservação de energia no experimento. Foi feita a definição de alguns tópicos essenciais, para serem analisados no início da construção do experimento (energia cinética de rotação do motor, momento de inércia, energia luminosa, energia elétrica).

Foi montado o experimento, usando o motor de ventilador de teto e na haste do rotor seria colocado um disco de ferro e fios do motor até um bucal com lâmpada e um interruptor liga/desliga.

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Figura 03: Aparato experimental do motor elétrico (Foto do autor)

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Para os próximos cálculos, tivemos que calcular a incerteza dos resultados. Vimos isso, com a prática de um experimento, para calcular o volume de uma massa acoplável, cilíndrica e com um furo horizontal na parte superior. Foi medido, com um paquímetro, a altura e os diâmetros interno (do furo) e o externo, com esses valores foi calculado o volume do cilindro e o furo, depois foram subtraídos o volume maior do menor para encontrar o volume total da peça.

Depois de um tempo pesquisando, foi decidido usar um disco de ferro, que tinha o tamanho e o peso ideal, um disco tinha um furo no centro, tem uma certa massa, ou seja, nem leve e nem pesado demais e é um pouco maior, em diâmetro, que o motor. O disco foi prensado na haste com uma borracha entre eles, já que o diâmetro do furo é um pouco maior que o da haste. A borracha que foi usada é desconsiderada nos cálculos.

Figura 04: Vista frontal do disco preso ao eixo do motor (Foto do autor)

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A partir de uma série de cálculos acerca da energia elétrica de entrada do motor, energia cinética de rotação (mesmas equações do item anterior), perda de energia por efeito Joule, energia magnética (histerese) foi possível verificar a conservação de energia dentro da margem de erro calculada a partir do erro relativo.

## 4 - Considerações Finais

Através dos cálculos, baseado nas medições do circuito que foi montado como um simples experimento conseguiu provar a conservação de energia que há nesse circuito e que há em qualquer outro objeto que tenha a transformação de uma

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forma de energia em outra. Assim foi demonstrado na prática o conceito da conservação de energia com experimentos usando objetos de baixo custo. Note que o custo mais alto é dos instrumentos de medida. Para experimentos meramente qualitativos o custo torna-se mais baixo.

## Referências

ARRHENIUS, Svante. On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground. Philosophical Magazine and Journal of Science. Series 5, V. 41, p. 237-276, April 1896.

CHAVES, A. e SHELLARD, R. C. Física para o Brasil: pensando o futuro. São Paulo: SBF, 2005.

COOK, John, NUCCITELLI, Dana, GREEN, Sarah A., RICHARDSON, Mark, et. al. Quantifying the consensus on anthropogenic global warming in the scientific literature. Environmental Research Letters. 8, 024024 (7pp), 2013.

FEYNMAN, Richard P., LEIGHTON, Robert B. and SANDS, Matthew. Lectures on Physics. California: Addison-Wesley Publishing Company, ed. 6th, vol. 1, 1977.

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