O EFEITO MPEMBA EM SALA DE AULA: RELATO DE UMA EXPERIÊNCIA

## O EFEITO MPEMBA EM SALA DE AULA: RELATO DE UMA EXPERIÊNCIA

## Fernando Luiz de Lima Domingos 1 , Caio César Zupa , Alexandre Bagdonas 2 3

- 1 Universidade Federal de Lavras - UFLA / Graduando em Física, fernandolima@fisica.ufla.br
- 2 Universidade Federal de Lavras - UFLA / Graduando em Física, caio.zupa@fisica.ufla.br
- 3 Universidade Federal de Lavras - UFLA / Prof. Departamento de Ciências Exatas, alebagdonas@gmail.com

## Resumo

- O Efeito Mpemba ocorre quando uma dada quantidade de água ou algum outro líquido, previamente aquecido, congela mais rapidamente que uma certa quantidade de água gelada ou à temperatura ambiente, sob certas condições. Apesar de o fenômeno parecer impossível sob os olhos da Termodinâmica, ele já foi observado em inúmeros experimentos e descrito por diversos cientistas, tais quais Aristóteles, Francis Bacon, Roger Bacon e René Descartes. Por trás deste fenômeno está a história do estudante secundarista Erasto Mpemba que trouxe novamente o efeito para as discussões da comunidade científica do século XX e XXI. Tendo-se em mente as diversas contribuições que o Efeito Mpemba tem a oferecer ao ensino de ciências, pretende-se apresentar neste trabalho um breve relato da utilização deste fenômeno nas aulas do curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal de Lavras dando enfoque às suas implicações no ensino Física. Adotou-se como metodologia de pesquisa a investigação qualitativa típica de pesquisas em ensino de ciências. Como resultados, destaca-se que o ensino de Física pode, perfeitamente, ser feito por meio de questões ainda não bem definidas no âmbito científico, estimulando o espírito investigativo nos alunos.

Palavras-chave : Efeito Mpemba; Atividade investigativa; Termodinâmica; Problema aberto.

## Introdução

Imaginemos, que em uma daquelas tardes chuvosas e enfadonhas de um final de semana qualquer, decidamos fazer um simples experimento físico. O experimento dar-se-á da forma que se segue: peguemos, por exemplo, dois copos idênticos, contendo em cada um 200ml de água da torneira. Feito isso, decidimos aquecer a água de um dos copos até a temperatura de ebulição e levar essa amostra, ainda quente ao congelador, junto com a outra amostra que estava à temperatura ambiente. Após algum tempo retornamos ao congelador e verificamos que a amostra que havia sido aquecida congelou primeiro que aquela que havia sido deixada à temperatura ambiente.

- O que acabamos de observar é o chamado Efeito Mpemba, um fenômeno físico em que se nota, sob certas condições, que uma dada quantidade de água ou outros líquidos em alta temperatura pode congelar mais rapidamente do que a mesma quantidade de líquido gelado ou à temperatura ambiente.
- O fenômeno foi assim denominado em homenagem a Erasto Bartholomeo Mpemba, um jovem tanzaniano, que em 1963 durante seu Ensino Médio, observou enquanto fazia sorvete em sua escola, que o leite quente parecia congelar mais rapidamente que o leite frio. Entretanto, a 'descoberta' do então garoto Mpemba

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enfrentou, inicialmente, algumas ressalvas do meio científico. Apesar das citadas ressalvas, atualmente estudos acerca do fenômeno têm sido realizados. Todavia, não existe ainda no meio acadêmico um consenso sobre suas causas, e este efeito se apresenta, ainda hoje, como um problema de pesquisa em aberto. Cientistas como Aristóteles, Roger Bacon, Francis Bacon e Descartes observaram, discutiram largamente e tentaram descrever tal situação. Todavia, com o advento das novas teorias sobre do calor, o Efeito Mpemba acabou sendo esquecido.

Aos leitores que por alguma razão estão certos de que o Efeito Mpempa é impossível de ocorrer baseado nas Leis da Termodinâmica, uma proposta: por que não tentar explicar, de forma precisa, o porquê da sua impossibilidade? Num segundo momento, pense como explicar sua teoria a um não cientista que insiste ter observado o tal fenômeno. Independentemente do fato do efeito ser ou não real, esta tarefa levantará uma ampla gama de questões a respeito de um suposto 'método científico' que podem ser abordadas sem a necessidade de conhecimentos avançados em física. Discussões nas aulas de Física acerca do Efeito Mpemba, além de nos enriquecer conceitualmente no campo da Termodinâmica, nos permitem abordar temas interessantes envolvendo história e filosofia da ciência, tais como a autoridade da ciência (Gama 2011), a relutância em aceitar propostas inovadoras (Kuhn 1963) entre outras.

Fenômenos com características paradoxais, como o Efeito Mpemba, trazem às claras alguns aspectos interessantes das posturas de cientistas e professores, que por exemplo, tendem a ver com profundo ceticismo algum relato ou observação que por alguma razão contradiga seus conhecimentos, enquanto dão por correta e acabada toda e qualquer informação presente nos livros didáticos. De maneira geral, ao se observar resultados inesperados, professores, estudantes e cientistas tendem a ignorá-los e não analisá-los de forma profunda. Ao contrário, procuram 'corrigir' seus dados e medidas de forma a se adequarem às teorias já conhecidas. Atitudes como tais acabam por desestimular o espírito investigativo além de diminuir consideravelmente a oportunidade de se explorar coisas novas.

Sabendo das vastas contribuições que o Efeito Mpemba têm a oferecer ao ensino de ciências, o presente trabalho vem apresentar o relato da experiência do uso de tal fenômeno em sala de aula, através de um modelo similar ao IYPT (International Young Physicists' Tournament) , na disciplina Introdução à Licenciatura em Física B, do curso de graduação em Física da Universidade Federal de Lavras.

## Referencial Teórico

Na civilização ocidental, o efeito Mpemba é conhecido (não por este nome até recentemente) desde os idos de 350 A.C. (Jeng 2006). Aristóteles, em seu livro Meteorologica relata que já naquele tempo as pessoas quando desejavam acelerar o processo de resfriamento da água, deixavam-na aquecer ao sol e depois a levavam para locais frios. Relata ainda que moradores da região de Pontus, na atual Turquia, costumavam acampar no gelo para pescar. Eles pegavam peixes através de buracos que eram feitos no gelo. Feito o buraco maior, buracos menores eram feitos à sua volta onde as varas de pesca eram colocadas, e para que as varas ficassem firmes, jogava-se água quente nos buracos para que eles congelassem rapidamente, evitando assim que as varas se movessem. Aristóteles explicou este

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fenômeno baseado na ideia da antiperístase (Aristóteles 1963). Ainda no séc. XIII, 1 Roger Bacon (R. Bacon, traduzido por Burke, 1962) argumentando sobre a importância da experimentação nas ciências afirma que se derramarmos água fria e água quente em algo gelado, em gelo por exemplo, a água quente congelará mais rapidamente que a água fria. Em suas palavras:

'[…] acredita-se, geralmente, que a água quente congela mais rapidamente que a água fria. O argumento em favor deste fato está baseado na ideia de que contrários são estimulados por contrários, assim como em um encontro entre inimigos. Entretanto, fica evidente para qualquer que fizer o experimento, que água quente congela mais rapidamente que água fria. Esta verificação é atribuída a Aristóteles em seu livro Meteorologica. Certo é que ele não fez esta afirmação, mas uma parecida, isto é, se for despejado água quente e água fria sobre algo gelado, como gelo por exemplo, a água quente irá congelar primeiro […]. Portanto, todas as coisas devem ser verificadas por meio de experimentos.' (Bacon, R. 1962, p.582). 2

No séc. XVII Francis Bacon (F. Bacon, editado Devey, 1911), em ' Novum Organum ', e René Descartes, em ' Les Meteores ', escreveram longos tratados sobre o método científico e experimentação e ambos acabaram por abordar o efeito Mpemba em seus escritos. Descartes escreveu:

'Podemos observar, por meio de experiências, que amostras de água que foram previamente aquecidas congelam mais rapidamente que aquelas que não foram aquecidas.' (Descartes, R. 1965, p. 268) 3

Como se pode observar, este fenômeno foi largamente discutido em diferentes contextos durante algum tempo e, com o advento do surgimento das novas teorias acerca do calor, o efeito acabou sendo deixado de lado, uma que vez as concepções modernas de calor indicavam sua impossibilidade (Jeng 2006, p. 516).

Então, na década de 1960, Erasto Mpemba, um então jovem estudante do ensino médio na Tanzânia, colocou novamente o fenômeno em discussão, ao usar uma mistura de leite quente e açúcar para fazer sorvete na escola onde estudavam. Numa dessas ocasiões Mpemba, sabendo da disputa por espaço no refrigerador da escola, levou a sua mistura ainda quente à geladeira e, após algum tempo, percebeu que o seu sorvete já estava congelado, enquanto o dos colegas, que foram levados em temperatura ambiente à geladeira, não haviam congelado. O garoto levou então o fato observado ao seu professor de Física, o qual lhe disse que tal fenômeno não seria possível. Certa feita, durante a visita de um professor de uma universidade local à escola de Mpemba, o garoto teve a oportunidade de contar e perguntar a este professor sobre sua observação. O professor em princípio desconfiou, mas prometeu ao garoto refazer a experiência e lhe dar retorno. Refeito o experimento, o professor pôde verificar como verdadeira a afirmação de Mpemba (Mpemba & Osborne, 1969).

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Neste trabalho, analisamos uma experiência em que se abordou o problema do Efeito Mpemba durante uma disciplina para alunos do 2º semestre da Licenciatura em Física da Universidade Federal de Lavras (UFLA). O curso, Introdução à Licenciatura em Física B, inclui revisão dos conceitos de Termodinâmica do Ensino Médio, que serão abordados com maior profundidade na disciplina de Física II no ano seguinte.

Os alunos se dividiram em grupos, realizaram o experimento fora da sala de aula, e trouxeram vídeos e fotos para apresentar suas soluções em aula. Com inspiração em uma olimpíada científica, o IYPT, a dinâmica das aulas se deu de forma que cada grupo participou com 3 papéis alternados: apresentador, opositor e avaliador. O apresentador inicia propondo uma solução com base em seus dados experimentais coletados, o opositor levanta objeções às hipóteses propostas, e o avaliador deve julgar o que foi apresentado pelos dois demais grupos.

O IYPT -Torneio Internacional de Jovens Físicos é uma competição que visa o estímulo dos estudantes pela Física, buscando desenvolver o pensamento crítico e autônomo além de promover o trabalho investigativo e colaborativo. Foi pensado e criado por professores da Universidade de Moscou na tentativa de fugir das tradicionais olimpíadas científicas. A competição se dá por meio da resolução de problemas de diversas áreas da Física e que devem desenvolver habilidades como criatividade, a concentração, o raciocínio indutivo e dedutivo, a habilidade de construir hipóteses, a capacidade de observação, de análise argumentos, de formulação de hipóteses, de estabelecimento de relações de causa e efeito, bem como o respeito a outras opiniões. A competição ocorre em um formato onde se estimula também habilidades como capacidade de liderança, trabalho em equipe, divisão de responsabilidades e administração de conflitos, além do aprimoramento das habilidades de comunicação oral e escrita (IYPT Brasil 2016). Uma vez que as equipes recebem os problemas, propostas de resolução devem ser apresentadas e debatidas entre participantes na forma de um ' Physics Fight'.

## Metodologia

Como metodologia de pesquisa, optou-se por uma investigação qualitativa típica de pesquisas em ensino de ciências (Greca 2002). Durante as aulas, o professor da disciplina tomou notas e registrou as atividades dos alunos pedindo que estes apresentassem seminários, resolvessem exercícios e ao final das aulas fizessem uma autoavaliação por escrito, que foi discutida coletivamente em aula.

Tais avaliações foram realizadas no Campus Virtual (ambiente virtual de aprendizagem da UFLA) e inicialmente não foram pensadas como dados para pesquisas, mas sim para avaliar os alunos na disciplina. Por isso vale ressaltar que há uma limitação inerente em nossos dados, já que os alunos não tinham total liberdade para apontar pontos negativos, já que estávamos em um processo de avaliação formal dentro do curso.

Sabendo que seria atribuído notas às avaliações os autores temem ter existido um certo viés no processo avaliativo por parte dos alunos, enfatizando seus pontos positivos no decorrer da atividade. Além disso, alguns dos autores deste trabalho eram alunos do curso que decidiram investigar o seu próprio desempenho na disciplina após seu término.

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Os dados de pesquisa foram discutidos pelos autores buscando diminuir sua influência subjetiva como participantes do curso na análise dos dados, uma vez que os próprios autores estão pesquisando sua ação educativa.

Da leitura e análise dessas avaliações foram destacados uma série de pontos positivos e negativos apontados pelos alunos com relação à atividade, que foram em seguida, examinados e discutidos pelos autores.

## Análise de Dados

Em síntese os principais aspectos positivos levantado após a aplicação das atividades foram:

- · Engajamento e responsabilidade por grande parte dos alunos nas atividades desenvolvidas. Observou-se que certos alunos que se apresentavam desmotivados, no decorrer das atividades, passaram a se envolver e participar com mais afinco.
- · Por se tratar de um problema aberto e sem uma explicação única por parte do meio científico, os alunos elogiaram o fato de ter liberdade para desenvolver pesquisas, investigações e levantamento de hipóteses sobre o fenômeno. Os alunos destacaram o fato de terem tido, nas palavras deles,

'um aprendizado de qualidade devido à liberdade de expressão em sala de aula, com direito de opinar e discutir sobre o Efeito Mpemba '.

- · Desenvolvimento de um espírito investigativo, uma vez que os alunos eram incentivados a replicar o experimento nas mais diversas condições, testando líquidos e recipientes diferentes, e verificando de que maneira estas variáveis influenciariam no fenômeno.
- · Trabalho em grupo, argumentação e contra-argumentação.
- · O ensino de Física pode, perfeitamente, ser feito por meio de questões ainda não bem definidas no âmbito científico, estimulando o espírito investigativo nos alunos.

Naturalmente, pontos negativos também foram verificados. Dentre eles destacam-se:

- · O fato de um aluno não ter compreendido o objetivo da metodologia proposta e por conta disso, não utilizaria o Efeito Mpemba nas suas aulas quando professor.
- · Houve relatos em que o Efeito Mpemba fora tido como um complicador na compreensão dos conceitos de termodinâmica. Nas palavras do aluno:

'termodinâmica não é uma matéria difícil de ser aprendida e com a inclusão do efeito Mpemba, vejo que isto tornaria a aula mais complicada, podendo até mesmo ficar um pouco perdido quanto a continuidade do conteúdo'.

- · Alguns grupos relatam falta de sintonia entre os membros durante a execução da atividade/experimento. Nota-se que estes alunos, possivelmente, não se reuniram para o preparo do experimento, observando que as participações individuais sobressaíram-se ao grupo.

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- · Argumentação fraca por parte de alguns grupos frente a oposição dos demais, evidenciando provavelmente, pouca apropriação sobre o fenômenos discutido.

## Considerações Finais

Observou-se que o uso de problemas abertos como metodologia foi interessante, já que se criou em sala de aula um ambiente de discussões diversas sobre o Efeito Mpemba, que iam desde condições de contorno do problema até possíveis explicações para o mesmo.

Nas avaliações dos estudantes está evidente que eles discutiram os diversos aspectos que poderiam influir na ocorrência do fenômeno, por exemplo: líquidos como café, leite, água destilada e água deionizada foram testados. Recipientes de diferentes matérias e formatos também foram experimentados, e o experimento repetido em temperaturas variadas. Tais posturas evidenciam a criação do tal espírito investigação. Outro ponto a se destacar é o fato de se colocar o aluno ativo no processo de ensino-aprendizagem, o que fica claro quando eles declaram ter gostado da atividade porque puderam participar ' com direito de opinar e discutir sobre o Efeito Mpemba '.

Muitas das explicações propostas estavam erradas ou incoerentes, mas mesmo assim, o debate sobre elas foi interessante não só como forma de rever conceitos, mas também de valorizar a criatividade dos alunos e sua participação em debates ao longo da disciplina.

O estranhamento de alguns alunos em relação a falta de matematização no ensino de física é compreensível, mas faz parte da proposta da disciplina de Introdução a Licenciatura B a apresentação não só de conceitos de física, mas também de diversas estratégias de ensino inovadoras. Os conceitos termodinâmicos serão abordados com uso de cálculo integral e diferencial em disciplinas posteriores. De qualquer forma, buscamos sistematizar as investigações propondo uma lista de exercícios inspirada em artigos recentes que propuseram possíveis soluções para o Efeito Mpemba, incluindo discussões sobre leitura e interpretação de gráficos da temperatura de líquidos em função do tempo, conceitos físicos como Lei do resfriamento de Newton, convecção, condução e radiação e supercongelamento.

Os pontos negativos, também apontados pelos alunos, de maneira geral, surgiram da ruptura com o ensino tradicional experimentado por eles durante sua vida escolar. Os estudantes estavam fazendo seu primeiro curso que incluía discussões sobre estratégias de ensino de Física diferenciadas. No primeiro dia de aula, o professor perguntou como tinha sido suas aulas no ensino médio e o que achavam das aulas de seus professores de Física, notando que a grande maioria dos alunos valorizava o ensino tradicional, baseado em aulas expositivas e transmissão de conceitos.

Por isso, nos parece razoável inferir a partir dos dados, que os alunos que julgaram que o Efeito Mpemba complica a compreensão da Termodinâmica, por um lado tem razão, porque de fato é uma tarefa complexa lidar com problemas abertos em uma abordagem investigativa. Por outro lado, notamos que essa resistência se deve pela ruptura com a cultura escolar com a qual os alunos estavam acostumados. Eles terão de qualquer forma aulas mais tradicionais e estruturadas sobre Termodinâmica na continuidade do curso, na disciplina de Física Geral e

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Experimental II. Nos parece adequado alternar essas abordagens ao longo do curso, incluindo problemas abertos e fechados. Entretanto, uma vez conhecida a atual situação dos currículos dos cursos de Física, uso de problemas abertos, apesar de promover o desenvolvimento de várias habilidades, deve ser sempre pensado em função do número de aulas necessárias para o seu desenvolvimento por completo, uma vez que atividade com problemas abertos são demoradas e de complexo planejamento.

Como continuidade do presente trabalho, pretende-se analisar o Efeito Mpemba sob a óptica da História e Filosofia da Ciência (HFC), buscando compreender as desconfianças e a não aceitação, em princípio, das observações do jovem Erasto Mpemba. Para tanto, buscar-se-á conhecer as diferentes concepções de ciências de diversos epistemólogos, e à luz destas, analisar o fenômeno em questão. Procurar-se-á também investigar outras eventuais potencialidades da aplicação do Efeito Mpemba no ensino de Física e, finalmente, apresentar uma proposta de sua abordagem em sala de aula.

## Referências

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