Estudando curvas de aquecimento da areia e da água com o arduino

## ESTUDANDO CURVAS DE AQUECIMENTO DA AREIA E DA ÁGUA COM O ARDUINO

## Jefferson Buonafina Pinheiro Junior, Antonio Augusto Soares

Departamento de Física, Química e Matemática, Universidade Federal de São Carlos, Sorocaba-SP jeffbuonafina@gmail.com

Palavras-chave : termologia; aquisição de dados; curva de aquecimento

## Resumo expandido

Com as Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC) presentes no cotidiano de grande número de estudantes, torna-se quase que obrigatório que se faça uso das mesmas em sala de aula. Dentre as aplicações destaca-se a realização de experimentos outrora não factíveis devido à falta de equipamento de relativo baixo custo. Esses experimentos podem ser criativos e baratos dando às aulas de física um caráter inovador e levando a um aprendizado com maior significação.

Conforme concluído por Smith e colaboradores (2020), o ensino de física apoiado pela experimentação tem potencial para aumentar o envolvimento dos discentes em qualidade e quantidade, promovendo mudanças em suas crenças sobre a física. Além disso, algumas atividades que utilizam as TIC podem proporcionar abordagens interdisciplinares. Por exemplo, Thoms e seus colaboradores (2019) mostram a possibilidade de fazer um eletrocardiograma com um smartphone e uma colher. Outra aplicação é o estudo das curvas de resfriamento de um corpo esférico. Nesse experimento, Silva e colaboradores (2018) usaram um smartphone e um par de aplicativos para desacelerar um vídeo e seguir a altura da coluna de mercúrio dentro do termômetro.

Aqui propomos um experimento usando elementos relacionados às TIC para ser aplicado junto a estudantes dos ensinos médio (EM) ou fundamental (EF). O experimento, cuja aquisição de dados é automatizada, permite obter as curvas de aquecimento e resfriamento da areia e da água, subsidiando o professor na apresentação aos estudantes dos diferentes comportamentos da dinâmica de aquecimento (e do resfriamento) dos diferentes materiais. Usamos uma placa de prototipagem Arduino UNO e dois sensores de temperatura (LM35) para compor um sistema de aquisição de dados de temperatura em função do tempo.

A Figura 1(a) mostra o sistema de aquisição de dados onde L1 e L2 indicam os sensores LM35 que estão conectados às portas analógicas A0 e A1 do Arduino. Por sua vez, o Arduino é conectado ao PC por um cabo UBS 2.0 A/B que fornece a alimentação e permite a programação e a aquisição dos dados experimentais diretamente pra uma planilha eletrônica (excel) permitindo, inclusive, a observação da construção das curvas de aquecimento e resfriamento em tempo real. Os dados são registrados a cada 5 segundos conforme pode ser verificado no código fonte apresentado no apêndice.

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19 a 30 de julho de 2021 - Online

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Figura 1. (a) Representação esquemática mostrando a placa Arduino com os sensores LM35 devidamente conectados. (b) fotografia da montagem experimental onde L1 e L2 são os sensores de temperatura.

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A Figura 1(b) mostra uma fotografia da montagem experimental. Os sensores L1 e L2 medem de forma concomitante, e respectivamente, as temperaturas da água e da areia. Para manter os sensores na posição correta no interior das amostras, usamos dois porta-balões (PB). Como fonte de calor usamos uma lâmpada halógena de 100W simetricamente colocada entre as amostras, ambas inicialmente à temperatura ambiente. Ao ligar a lâmpada, as temperaturas das amostras começam a aumentar enquanto o Arduino grava os dados. Depois de um dado tempo, a lâmpada é desligada e as temperaturas das amostras começam a diminuir devido às trocas de calor com o ambiente.

A análise dos dados concerne à discussão dos resultados que estão apresentados nos gráficos da figura 2. Como é possível verificar, a areia aquece e esfria mais rapidamente do que água, ou seja, a taxa de ganho e de perda de energia térmica para a areia é maior quando comparada à da água. Após aproximadamente 30 minutos de aquecimento a temperatura da areia supera a da água em aproximadamente 15°C.

Diante dessa situação de concretização experimental, o professor pode introduzir o conceito de calor específico dos materiais justificando a diferença observada no comportamento térmico das amostras em estudo. Ainda, pode abordar o fenômeno onde o sol aquece a areia da praia mais rapidamente que a água do mar. Consequentemente, o ar acima da areia aquece mais rápido que o ar acima da água e um processo de convecção ocorre na região de areia. A convecção, por sua vez, faz com que o ar acima da areia suba, sendo substituído pelo ar que estava acima da água. Isso dá origem a uma brisa que sopra em direção ao continente. Durante a noite, como mostrado na metade final da figura 2 (após 3600s), a areia esfria mais rápido que a água e a brisa sopra na direção oposta.

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Figura 2. Temperatura versus tempo para o experimento de aquecimento e resfriamento da água (azul) e areia (laranja).

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Esse experimento, dada sua simplicidade e facilidade de execução, mostrase adequado para ser usado junto a estudantes dos EM e EF. Com ele o professor pode mostrar tanto qualitativamente quanto quantitativamente a diferença entre as temperaturas da água e da areia quando estes materiais são aquecidos (ou resfriados) simultaneamente pela mesma fonte de calor.

Assim, a proposta aqui apresentada permite explorar de forma concreta o fenômeno natural da brisa do mar criando contexto para avançar ao estudo de uma propriedade bastante importante dos materiais, o calor específico. Além disso, por se tratar de um processo de aquisição e análise de dados que se vale de elementos das TIC, a proposta tem o potencial de aumentar o engajamento dos estudantes uma vez que tais tecnologias estão presentas no dia a dia dos estudantes. Abaixo apresentamos o código de programação do Arduino que permite a aquisição automática dos dados.

## Referências

SILVA, M. R.; MARTÍN-RAMOS, P.; DA SILVA, P. P. Studying cooling curves with a smartphone. The Physics Teacher , v. 56, n. 1, p. 53-55, 2018.

SMITH, E. M. et al. Direct Measurement of the Impact of Teaching Experimentation in Physics Labs. Phys. Rev. X , v. 10, n. 1, p. 011029, February 2020. Disponivel em: &lt;https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.10.011029&gt;.

THOMS, L.-J. et al. Electrocardiography with a Smartphone. The Physics Teacher , v. 57, n. 9, p. 586-589, 2019.

## Apêndice

Abaixo apresentamos o código de programação do Arduino que permite a aquisição automática dos dados. Para a comunicação entre o Arduino e o excel usamos o software livre PLX-DAQ.

//Sensor de temperatura LM35.

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const int S1 = A0, S2 = A1; float aux = 10, t = 0.0, Temp1 = 0.0, Temp2 = 0.0; int LABEL = 1; void setup() { Serial.begin(19200); Serial.println("CLEARDATA"); Serial.println("LABEL,tempo,t,Temp1,Temp2"); } void loop() { Temp1 = (float(analogRead(S1))*5/(1023))/0.01; Temp2 = (float(analogRead(S2))*5/(1023))/0.01; Serial.print ("DATA,TIME,"); Serial.print(5*t); Serial.print(", "); Serial.print(Temp1); Serial.print(", "); Serial.print(Temp2); Serial.println(", "); Serial.println("ROW, SET"); t++; delay(5000); }
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