ATIVIDADE INVESTIGATIVA SOBRE ENTROPIA

## ATIVIDADE INVESTIGATIVA SOBRE ENTROPIA

## Matheus Jeronimo Borges 1

1 Universidade Federal Fluminense - UFF, matheusjeronimo@id.uff.br

## Eduardo Oliveira Ribeiro de Souza 2

2 Universidade Federal Fluminense - UFF, eduardoors@id.uff.br

Palavras-chave : Entropia; atividade investigativa; problema aberto.

## Resumo expandido

Este trabalho refere-se a um aparato criado em uma Monografia apresentada ao Curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal Fluminense, relacionado ao estudo da Entropia no Ensino Médio. Foi realizada uma breve retrospectiva conceitual e histórica sobre a Entropia, começando pelo estudo de Máquinas Térmicas realizado pelo engenheiro Sadi Carnot em 1824 e, posteriormente, Rudolf Clausius, culminando em 1850, sobre um aspecto experimental, ao enunciado da 2ª Lei da Termodinâmica. Em 1854, William Thomson, redigiu o princípio da conservação da energia, que ficou conhecido como a 1ª Lei da Termodinâmica (PIRES, 2011):

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

- O desenvolvimento dos estudos sobre tais leis se deu a partir de uma propriedade de máquinas reversíveis: a razão entre a quantidade de calor do reservatório quente e sua temperatura absoluta era igual à razão da quantidade de calor do reservatório frio por sua temperatura. Assim, em 1865, Clausius nomeou essa razão como sendo Entropia, que significa transformação. Além disso, designou a letra S para tal grandeza (PIRES, 2011). Isto é:

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

Em que Q é a quantidade de calor e T é a temperatura medida em Kelvin. Assim, a 2ª Lei da Termodinâmica pode ser escrita da seguinte forma: 'Em processos reversíveis a Entropia permanece constante, em processos irreversíveis ela aumenta.' (PIRES, 2011, p. 246)

- O objetivo central desse trabalho foi propor uma atividade que leve os alunos ao entendimento dos conceitos dessa Lei. Tanto a entropia, como processos reversíveis e irreversíveis. Para isso, foi desenvolvido um problema aberto, um tipo de atividade investigativa.

Nessas atividades investigativas os alunos enfrentam, inicialmente, situação aberta de forma qualitativa, a fim de elaborar hipóteses, perceber a validade dos seus pensamentos e os limites de suas hipóteses (AZEVEDO, 2004).

A justificativa para escolha de tal temática se deve, principalmente, a Entropia nas aulas de física do Ensino Médio ser um tópico pouco desenvolvido. Razões diversas contribuem para isso, como o tipo de formação que o professor tem sobre o tema, o tipo de material didático e sua qualidade sobre a Entropia e o pequeno índice de publicações de artigos e produtos educacionais sobre a 2ª Lei da Termodinâmica, em específico, tratando-se de uma abordagem investigativa (BORGES, 2022).

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

8 a 10 de novembro de 2023 - SNEF em Rede: Laços e Nós do Ensino de Física

Considerando que o estudo da entropia é aproveitado no contexto de Máquinas Térmicas, a proposta didática foi sugerida para um momento após os estudos da 1ª Lei da Termodinâmica. E para que o tempo não seja um empasse durante a aplicação, a proposta foi pensada em duas aulas de 1 hora e 40 minutos cada.

Assim, no início da primeira aula, a turma foi dividida em 4 grupos de 5 alunos e inicialmente foi entregue o Questionário 1. Neste, existiam questões diagnósticas e de pensamento relacionadas a processos irreversíveis, como mostra a figura 01:

Se tivermos 1 mol (6,02 x 10 23 moléculas) de um gás confinado em metade de um recipiente, no qual a outra metade é vácuo, como na figura a seguir, responda:

Figura 03: Fragmento do Questionário 2

<!-- image -->

Ao removermos a separação entre as partes do recipiente, o que ocorrerá? Seria possível voltarmos ao estado inicial do sistema espontaneamente? Isto é, retornar ao estado em que todo o gás está somente em metade do recipiente? Explique seu raciocínio.

Figura 01: Fragmento do Questionário 1

Após cerca de 25 minutos, foi apresentado o aparato da Figura 02, com 4 botões que apresentam uma face vermelha e a outra branca:

Figura 02: Aparato com 4 botões vermelhos/brancos

<!-- image -->

Juntamente, foi entregue aos grupos o Questionário 2, no qual era pedido que os alunos movimentassem o aparato e quantificassem o número de peças vermelhas para cima após cada movimento, '(...) que foi de simples desenvolvimento pelos alunos , inclusive a última pergunta, que inicialmente era 1 'Qual resultado teve maior ocorrência? Por quê?' (BORGES, 2022) e posteriormente modificada, a fim de tornar o problema de fato investigativo para

Quais conclusões se podem tomar a partir da tabela preenchida?

Uma parcela dos estudantes demonstrou dificuldade na compreensão da relação entre os caos mais recorrentes com as combinações possíveis deles. Assim, houve uma intervenção para orienta-los (BORGES, 2022). 2

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

Após cerca de 35 minutos, foi apresentado o aparato da Figura 06, com 12 botões que apresentam uma face vermelha e a outra branca:

Figura 04: Aparato com 6 botões vermelhos/brancos

<!-- image -->

Juntamente, foi entregue o terceiro e último questionário. Com isso, os estudantes perceberam a relação entre esse questionário e o anterior. E contribuíram para a melhora do mesmo. Por exemplo, inicialmente, o questionário 3 não possuía uma tabela a ser preenchida com o número de peças vermelhas para cima após cada movimento, apenas o comando de balançar o tabuleiro a mesma quantidade de vezes que foram realizadas para a realização do questionário 2 e comparar os resultados. Porém, um dos grupos, criou uma tabela e completou a atividade com maior fluidez. Demostrando que a atividade seria mais bem aproveitada com a tabela presente em ambos os questionários (BORGES, 2022). Com isso, após cerca de 40 min, os grupos encerraram os questionários, em um tempo bem próximo do fim da aula.

No começo da segunda aula, as discussões foram retomadas pela análise das maneiras de se ter botões com a face vermelha para cima em relação à quantidade de botões com a mesma face para cima, relacionado com as possibilidades dos botões. Foi-se, então, extrapolado esse pensamento para a compreensão da distribuição das moléculas do gás referente ao Questionário 1. Mostrando que após o preenchimento do recipiente pelo gás, as possibilidades de retorno ao estado inicial são desprezíveis em relação às possibilidades de estados em que, macroscopicamente, o gás está preenchendo todo o recipiente. Com isso, a discussão foi direcionada a seta do tempo e a influência de processos irreversíveis para sua percepção.

É esperado que esse trabalho possa contribuir para que docentes abordem a Entropia em sala de aula por meio da Atividades Investigativas, e se viável esta proposta. Dito isso, perante a aplicação da atividade, e demonstração de assertividade desta para o processo de ensino aprendizagem dos estudantes, mantem-se o interesse em continuar a pesquisa na temática, porém de forma mais qualitativa em um curso de Mestrado.

## Referências

AZEVEDO, M. C. P. S. Ensino por investigação: Problematizando as atividades em sala de aula. In: CARVALHO, A. M. P. et al . Ensino de Ciências : Unindo a Pesquisa e a Prática. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, p. 19-33, 2004.

BORGES, M. J. Ensino De Física Por Investigação: Uma Proposta Para O Estudo Da Entropia No Ensino Médio, Monografia (Licenciatura em Física). Universidade Federal Fluminense - UFF, Niterói, 2022.

PIRES, A. S. T. Evolução das ideias da Física , 2ª edição, Livraria da Física, São Paulo, 2011.

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