MÁQUINAS TÉRMICAS NO ENSINO MÉDIO: PROPOSTA DE OFICINA PEDAGÓGICA INSERIDA EM SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA O ESTUDO DE TERMODINÂMICA

## MÁQUINAS TÉRMICAS NO ENSINO MÉDIO: PROPOSTA DE OFICINA PEDAGÓGICA INSERIDA EM SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA O ESTUDO DE TERMODINÂMICA

## Elson Fernando Damaso de Araújo, Tâmara R. Oliveira Lima e Silva

Departamento de Física - Universidade Estadual da P araíba - UEPB - Campina Grande elsonfernando@oi.com.br

## Resumo

Este trabalho apresenta como proposta para elaboração de atividade prática a se aplicar em sala de aula uma sequência didática com oco numa atividade experimental, a f qual objetiva sincronizar a manipulação de um exper imento científico com a teoria de Termodinâmica através da construção de um motor Stirling. Espera-se que a sequência venha colaborar, assim, para que o estudante de Ensino Médio compreenda naturalmente conceitos básicos sobre o tema sem que se precise, inicialmente, recorrer ao uso formal de equações. Desse modo, a proposta busca tornar as au las de Física que englobem os conceitos de temperatura, troca de calor, trabalho, eficiência de máquinas térmicas e conservação de energia mais interessantes, instigan tes e dinâmicas, facilitando o aprendizado e dando a oportunidade, ao aluno, de desenvolver uma visão mais crítica sobre o assunto em questão. A atividade proposta leva em conta a montagem de uma máquina térmica (motor) usando materiais de baixo custo, at ravés de uma oficina pedagógica, com o intuito de se abordar conceitos associados às Leis da Termodinâmica e aos processos termodinâmicos de uma forma curiosa na prática, con tribuindo para facilitar a construção do conhecimento científico entre os estudantes e aplic á-lo a uma situação real.

Palavras-chave : Motor Stirling, Oficina Pedagógica, Sequência Did ática.

## Máquinas Térmicas no Ensino Médio

Muitas vezes os métodos aplicados em sala de aula p ara se abordar conceitos de Física não motivam o aluno que hoje é conectado ao mundo tecnológico, e não levam em consideração o conhecim ento prévio que o aluno adquiriu no seu cotidiano.

Esta sequência didática, focada na confecção de um parato experimental, a além de abordar a questão teórica e prática,propõe melhorias na metodologia para o ensino de temas associados à Termodinâmica (ARAUJO & ABIB, 2003), através de uma oficina pedagógica (PASSOS & MOREIRA, 1982). Para tanto, um motor Stirling (de combustão externa) (SIER, 1995), foi p rojetado e construído como proposta didática para o Ensino da Termodinâmica. S ua confecção, a partir de materiais de baixo custo, tem o objetivo de simular o funcionamento de uma máquina térmica de ciclos contínuos (partindo do co ceito de transferência de calor). n Espera-se que, em sala de aula, ele possa ser usado como facilitador do aprendizado, permitindo a visualização de conceitos como conservação de energia e processos termodinâmicos. O aparato também pode ser utilizado para discutir o ciclo de Carnot através de uma abordagem experimental do limite teórico de rendimento máximo de uma máquina térmica (HALLIDAY, 2003).

Destacamos aqui que a sequência didática apresentad neste trabalho ainda a não foi realizada em sala de aula, representando um a proposta de atividade para

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aulas de Física sobre Termodinâmica em turmas do Ensino Médio. Todo passo a passo da confecção do motor está sendo incluído em uma cartilha, em desenvolvimento.

## Sequência Didática

A sequência didática é proposta aqui para estudante do 2º ano do Ensino s Médio, sendo subdividida em 5 encontros de 2 aulas cada (a aula com duração de 1 h), correspondendo a uma carga horária total de 10 horas, conforme detalhado no Quadro 01.

QUADRO 01: Descrição da sequência didática desenvolvida em sal de aula, cujo tema a engloba conceitos básicos de Termodinâmica e leva e m conta uma oficina pedagógica.

A estrutura da sequência didática engloba cinco fas s: orientação, elicitação, e reestruturação, aplicação e revisão (OLIVEIRA, 2013 ).

A fase de orientação (associada ao 1º encontro) obj etiva motivar os alunos e enfatizar a eles a importância de se investigar um fenômeno científico e analisar os conceitos físicos associados ao mesmo para resolver um problema na prática. Para tanto, propõe-se uma leitura sobre o contexto histó rico do conceito de máquina e suas primeiras aplicações (PEDUZZI, 2005). Na elici tação (associada ao 2º encontro), os alunos explicitam suas concepções prévias sobre o tópico, problema ou fenômeno em questão, principalmente através de discussões em grupo dos temas abordados na leitura de textos científicos no 1º encontro (OLIVEIRA, 2012). A

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fase de reestruturação (associada aos 2º e 3º encon tros) implica, de início, a clarificação e o intercâmbio, por meio de discussõe s, das ideias dos alunos, o que pode levar a desacordos espontâneos entre eles. O professor, por sua vez, de forma intencional, deve explorá-los, bem como promover coflitos conceituais ao utilizar n demonstrações refutadoras ou apresentar contra-exem plos (PASSOS & MOREIRA, 1982). A ele também cabe, nesta fase, apresentar co ncepção e explicação cientificamente "corretas", dando oportunidades aos alunos para construírem e expressarem suas ideias a respeito. Já as fases de aplicação e revisão estão associadas aos 4º e 5º encontros, associados a aulas expositivas sobre as leis da Termodinâmica, resolução de exercícios, apresentaçã o de vídeos sobre motores de combustão e a oficina didática.

## Descrevendo os Encontros

## 1º Encontro: Definição de máquina; A roda d'água; P imeiras máquinas r a vapor; As máquinas de Savery até Watt.

- O professor, através de uma breve palestra, motiva os alunos, divididos em grupos de três, a investigarem sobre o tema que ser á estudado; neste momento ele distribui um texto para leitura sobre os primeiros tipos de máquinas térmicas (QUADROS, 2008). A leitura é limitada e, o professo r reforça com apresentação de slides.

## 2º Encontro: O ciclo de Carnot; Teorias térmicas; O equivalente mecânico de calor.

Nesse encontro é dada continuidade à atividade do e ncontro anterior, acrescida de um debate provocado pelo professor sobre ciclo de Carnot e máquinas térmicas (HALLIDAY, 2003). É feita uma pequena avaliação (questionário inicial) cuja finalidade é averiguar o que os alunos fixaram e só assim partir para o 3° encontro.

## 3º Encontro: as Leis da Termodinâmica.

Esse encontro objetiva uma análise detalhada, mas q ualitativa, das Leis da Termodinâmica e seus parâmetros (PASSOS, 2009), (COVOLAN, 2003), que tratam dos conceitos de diferença de temperatura ( T ) e equilíbrio térmico, transferência de calor ( Q ), trabalho ( W ) e energia interna ( U ) e eficiência ou rendimento de uma máquina térmica, relacionado ao conceito de entropi ( a S ).

## 4º Encontro: 1ª aula: Continuação das Leis da Termodinâmica. 2ª aula: Processos termodinâmicos e tipos de motores de combustão.

Nesse encontro o professor destaca que, termodinamicamente, se o estado de um sistema muda, então ele está passando por um processo. A sucessão de estados pelos quais o sistema passa define o caminho do processo. E que, se, no final da trajetória, as propriedades tiverem regressado aos seus valores iniciais, o sistema foi submetido a um processo cíclico (HALLID AY, 2003). O professor discute, através de exemplos, os processos adiabático, isovo umétrico l (ou isocórico), isotérmico e cíclico, relacionando-os sempre à Prim eira Lei da Termodinâmica e ao conceito de processo quase-estático (REIF, 1965). O professor deve frisar que parâmetros como pressão ( p ), temperatura ( T ) e volume ( V ) podem mudar durante um processo termodinâmico e destacar que as mudanças de estado de um sistema são produzidas pela interação com o ambiente atravé s de calor e trabalho. Ele instiga os estudantes a associar a Segunda Lei da Termodinâmica (REIF, 1965) a

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conversões de calor em trabalho através de ciclos entre uma fonte quente e uma fonte fria, e reforçar que nenhuma máquina que venh a a realizar um ciclo desse tipo poderá ter eficiência de 100%, pois mais energia é traída da fonte quente do que ex cedida pela fonte fria. É oportuno, nesse momento, que o professor introduza qualitativamente o conceito de entropia (grau de desordem de um sistema físico) (REIF, 1965) e o associe à Segunda Lei através de exemplos , como o comportamento termodinâmico de um motor de combustã o interna (ou motor de explosão) (SCHULZ, 2009), uma máquina térmica que t ansforma r a energia proveniente de uma reação química (combustão de gases) em energia mecânica (associada à realização de trabalho), onde o processo de conversão se dá através de ciclos termodinâmicos que envolvem expan são, compressão e mudança de temperatura de gases.

A partir dessa etapa do encontro, o professor, através da apresentação de vídeos, faz uma comparação do motor de combustão interna (como nos automóveis) (DIAS, 2016) com o motor Stirling (WALKER, 1980) de combustão externa, , destacando que o princípio de funcionamento de um m otor desse tipo é que uma quantidade fixa de gás, encerrada no interior do me smo, o faz funcionar em um ciclo termodinâmico, composto em quatro fases e executando-as em dois tempos do pistão que realiza o trabalho. E questiona os aluno s se é possível analisar visualmente estas fases. Diante das indagações da t urma, ele propõe os estudantes a construir um motor Stirling, destacando que é pos sível sim visualizar os processos termodinâmicos envolvidos em seu funcionamento e verificar os conceitos de processo quase-estático e das Leis da Termodinâmica numa máquina térmica. O professor motiva a turma a trabalhar na confecção d o aparato orientando-a sobre a organização do material e propondo uma oficina, pla nejada para o próximo encontro.

## 5º Encontro: Demonstração do aparato e oficina (construção de um motor Stirling).

Para a construção do motor, é usado o material ilustrado na Figura 01: prateleira de madeira; sucata de LNB de antena parabólica; forminha de mini pizza; latinha de energético; tubo de cobre e latão; proveta, seringa (a de vidro é melhor, mas a de plástico também funciona); parafusos, corrias e braçadeiras de nylon. e

Figura 01: Material para confeccionar o motor Stirling (a) e montagem em andamento (b).

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O motor é constituído por dois pistões: um converte o ar comprimido em trabalho mecânico (através do uso de uma seringa) e o outro é o pistão de deslocamento (fazendo-se uso de uma latinha de energético), que faz um movimento de 'vai e vem' dentro do cilindro de pressão. Este possui, numa extremidade, uma proveta, que representa a fonte quente (com temperatura T1 ) e, na outra extremidade, um dissipador de alumínio (à temperatura ambiente), que é a fonte fria (com temperatura T2 ).

A Figura 02 indica os componentes do motor com as fontes quente e fria e o pistão deslocamento e o que é responsável pela real zação de trabalho. i

Figura 02: Motor confeccionado e indicação de seus componentes.

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Afixado ao volante (forminha metálica de mini pizza adaptada), encontra-se uma polia que faz o acoplamento do motor Stirling a um motor de corrente contínua que, nesse caso, faz o papel de gerador de energia elétrica, ao qual está conectada uma lâmpada (led - diodo emissor de luz) que acende quando o motor está em funcionamento, sendo um exemplo de aplicação do pro cesso.

Ambas as fontes são conectadas mecanicamente a um e ixo de manivelas em quadratura de fase. Quando um pistão atinge uma das extremidades, o outro encontra-se a meio caminho. O pistão de deslocament o tem a função exclusiva de movimentar o ar aquecido, através de uma lamparina a ser posicionada em baixo da extremidade da proveta (fonte quente), para o dissipador de alumínio (fonte fria) e vice-versa. Ele não realiza trabalho.

A Figura 03 ilustra o funcionamento dos cilindros do motor, dividido em quatro fases: a fase 1 representa um aquecimento isocórico; a fase 2 representa uma expansão isotérmica; a fase 3 representa um resfriamento isocórico; e a fase 4 (fechando o ciclo) representa uma compressão isotérmica.

Para o motor funcionar como máquina térmica (com T1 &gt; T2 ), foi usada uma lamparina para alimentar a fonte quente, como visto na Figura 04.

O aparato funciona bem, uma vez que todas as fases descritas anteriormente ocorreram de forma satisfatória. O volante de inércia do motor foi girado em velocidade suficiente o que fez com que, através de correias acopladas ao gerador, este fosse capaz de fornecer a energia necessária para acender um led, demonstrando assim o funcionamento da máquina exper imentalmente.

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Figura 03: Os quatro tempos do motor Stirling mostrando as respectivas posições de cada êmbolo em cada tempo. As duas isotermas do ciclo da máquina de Stirling não são ligadas por processos adiabáticos, como na máquina de Carno mas por processos isocóricos. t,

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Figura 04: Motor Stirling em funcionamento.

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O experimento permite visualizar as Leis da Termodinâmica de forma prática e de fácil entendimento ao público alvo para quem f i projetado. Também é possível o visualizar a ocorrência do princípio da conservaçãoda energia no instante em que acontecem os fenômenos de troca de calor; este é um dos enfoques da referida máquina.

Devido à grande proximidade do Ciclo de Stirling com o de Carnot (este considerado como sendo o de uma máquina ideal), o p rofessor pode fazer uma analogia entre eles, como representado pela Figura 05, e discuti-los com a turma.

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Figura 05: Comparação entre os Ciclos de Carnot (para uma máquina ideal) e o ciclo de Stirling (base de funcionamento da máquina projetada neste trabalho). Os números correspondem aos processos termodinâmicos associados às fases do motor descritas na Figura 03.

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O professor ainda pode frisar que, na confecção d o motor Stirling, observou-se a sua auto sustentabilidade uma vez que, semelhantemente ao uso de células fotovoltaicas que alimentam baterias, este motor pode aproveitar a luz solar como fonte direta de energia, sendo esta uma energia limpa e abundante naturalmente (a luz solar atuando como fonte pode substituir satisfatoriamente o papel da lamparina, uma vez que se trata de motor de combustão externa).

## Avaliação

Nesse caso os instrumentos de avaliação são a exper imentação e os exercícios do terceiro momento, além de uma articul ação com o primeiro momento para se verificar se houve uma aprendizagem significativa. Portanto, o professor não deve se limitar ao método de avaliação tradicional, e sim procurar acompanhar o nível do desenvolvimento dos alunos em todas as eta pas da sequência didática, seguindo os passos para uma boa captação de conheci mento por parte deles. O professor pode fazer uso de uma metodologia diagnóstica e formativa através de questões aberta e exercícios (mini testes) aplicados no decorrer das aulas; e, finalmente, a somática, realizada no final da unidae, classificando o aluno de d acordo com o grau de aprendizagem alcançado ao longo da mesma.

## Conclusões e Perspectivas

Apresentamos aqui como os conceitos de Termodinâmica podem ser abordados no Ensino de Física a partir de uma propo sta de sequência didática que visa a interação entre professor e aluno através de uma oficina que foca na construção de um motor Stirling (exemplo de máquina térmica). Com este trabalho esperamos, principalmente, facilitar o aprendizado dos estudantes de Ensino Médio

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e conseguir desenvolver o senso crítico dos mesmos sobre uma aplicação prática do tema, sempre pensando na melhoria da qualidade do ensino.

Está em andamento o desenvolvimento de uma cartilha que ilustre os passos da sequência didática acoplado ao projeto arsanal (desenhos e gráficos) e te o passo a passo articulado para a confecção do moto r Stirling.

## Referências

ARAÚJO, M. S. T. DE; ABIB, M. L. V. S. Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades , Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 25, n. 2, p. 176, 2003.

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