Arduino aplicado à Calorimetria: Uma proposta para o Ensino de Física

## Arduino aplicado à Calorimetria: Uma proposta para o Ensino de Física

## Thiago Auer Camilo de Jesus 1,3 , Nayhara Totola Croce 3 , Larissa Mandelle Broêtto 3 , Laercio Ferracioli 1,2

1 Universidade Federal do Espírito Santo, PPGEnFís, ppgenfisufes@gmail.com

2 Instituto Nacional da Mata Atlântica - INMA

3

EEEFM José Pinto Coelho, 32032951@edu.es.gov.br

Palavras-chave : Calorimetria; Arduino; Ensino de Física.

## Introdução

O experimento é um dos pilares para que o ensino de física seja significativo, pois permite que estudantes apliquem conceitos teóricos em uma situação real (Araújo & Santos, 2003). Nesse contexto, a construção de um calorímetro com materiais reutilizados, sensores e programação C++ em Arduino pode ser uma ferramenta essencial unindo princípios de sustentabilidade à tecnologia de automação

(Giovanni & Organtini, 2018). O calorímetro é um experimento clássico no estudo da termodinâmica e demonstra as Leis da Conservação da energia, além de explorar outras grandezas como temperatura, capacidade térmica, calor específico, as equações de conservação de energia e transferência de calor.

Neste trabalho, apresentamos o desenvolvimento de um calorímetro construído um grupo de estudantes utilizando materiais reutilizados durante as aulas da disciplina eletiva de robótica sustentável. O projeto incorpora o uso de um sensor e a programação em Arduino para medições de temperatura. A escolha por materiais reutilizados é parte da proposta da disciplina e tem uma importância significativa tanto do ponto de vista sustentável quanto educacional.

Os resultados preliminares apontam que o calorímetro atende aos objetivos gerais propostos. Espera-se que essa abordagem promova a compreensão mais profunda dos conceitos teóricos, estimule o interesse dos estudantes pela disciplina e os conscientize sobre a importância da sustentabilidade e do uso responsável de recursos.

## Materiais e Métodos

- O calorímetro foi desenvolvido por 4 estudantes da disciplina eletiva robótica sustentável, da Escola Estadual de Ensino Fundamental e Médio José Pinto Coelho, localizada na cidade de Santa Teresa, região serrana do estado Espírito Santo (Camilo de Jesus, Cafofo & Ferracioli, 2023).

A partir dos conceitos abordados durante as aulas, os estudantes construíram o experimento seguindo as diretrizes abaixo:

- ● O projeto: foi proposto um experimento de termodinâmica para utilização em aulas de física utilizando programação em Arduino e materiais reutilizados.

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- ● Materiais: Arduino Uno, conector USB, cabos jumper para conectar pontos do circuito elétrico, sensor de temperatura MAX6675, LCD 20x4 com módulo I2C, pedaços de isopor, garrafa de água sanitária vazia (5l), recipiente de alumínio (2 l), espuma expansiva de poliuretano, palitos de picolé, silicone e cola instantânea.
- ● Programação: foi apresentada a plataforma Arduino Create For Education para escrever o código que permite coletar dados do sensor de temperatura e mostrar os seus valores no display LCD.
- ● Construção do Calorímetro: o calorímetro foi produzido, adaptando a ponta do sensor no seu interior de alumínio, revestido pelas camadas de isopor, espuma expansiva e garrafa de água sanitária. A Figura 01 mostra o circuito e o protótipo do calorímetro.

Figura 01 : Em (a) temos o circuito de ligação dos componentes do projeto, em (b) o protótipo funcionando.

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Após a construção do protótipo, houve a soldagem dos componentes na placa de fenolite e mudança do Arduino Uno para o Arduino Nano, que tem as mesmas funções, porém é mais compacto e pode ser usado em projetos definitivos.

## Resultados e discussão

Após a confecção, o experimento foi apresentado na culminância pelos próprios estudantes da eletiva e durante uma aula na disciplina de calorimetria. Além do calorímetro, outros componentes foram adicionados para que o experimento fosse realizado, como um medidor de volumes graduado em mililitros, termômetro de mercúrio para medidas de temperatura fora do calorímetro, um cubo de ferro e um de alumínio, água quente, fria e na temperatura ambiente, sendo que a água quente e fria foi preparada previamente e armazenadas em garrafas térmicas. Os resultados foram positivos, os alunos tiveram contato direto com a aplicação das equações fundamentais da calorimetria e os conceitos de transferência de calor. Com a visualização dos dados em tempo real, pode-se observar as variações de temperatura e calcular a troca de calor entre corpos de diferentes materiais, como ferro e alumínio, determinando o calor específico de ambos. Essa abordagem buscou estimular o pensamento crítico, o raciocínio lógico e a resolução de problemas. Além disso, os alunos estavam diante de práticas que envolvem o uso de tecnologias, preparandoos para desafios futuros nas áreas afins. A Figura 02 mostra o calorímetro pronto e soldado no circuito do Arduino Nano.

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Figura 02: Produto final funcionando. O display LCD mostra dados de temperatura nas escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin.

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## Conclusões

Neste trabalho, apresentamos a construção de um calorímetro utilizando materiais reutilizados, sensores e programação em Arduino e sua aplicação no ensino de Física. Os resultados medidos pelo calorímetro apresentaram diferenças pouco significativas quando comparados à literatura, o que evidencia a viabilidade desta proposta. A utilização de materiais reutilizados não apenas contribuiu para levar aos estudantes formas de reutilizar e disseminar a sustentabilidade, mas também buscou trazer à realidade dos discentes o método científico. Além disso, a incorporação de sensores e Arduino permitiu a coleta de dados tornando o experimento mais interativo e dinâmico. Com a estrutura do calorímetro já estabelecida o próximo passo é adicionar um motor com controle de velocidade com um sistema para movimentar a água, assim, realizar o experimento de Joule, que determina o equivalente mecânico em energia térmica, estabelecendo uma relação entre as formas de energia mecânica em térmica, mas nossa proposta é conversão de energia elétrica, para mecânica, depois térmica. A reprodução do experimento de Joule com o calorímetro desenvolvido neste trabalho permitirá aos estudantes explorar a conservação de energia. Portanto, a construção bem-sucedida do calorímetro e a continuidade do estudo com a reprodução do experimento de Joule podem representar avanços significativos nas propostas de ensino de Física.

## Referências

Araújo, M &amp; Santos, A. (2003). Atividades experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física . 25. 10.1590/S1806-11172003000200007.

Camilo de Jesus, T. A., Cafofo Silva, E. G., &amp; Ferracioli, L. (2023). Ensino de Física e Ciência Cidadã na compreensão das mudanças climáticas por meio do estudo da vazão de um córrego da Mata Atlântica . Revista De Enseñanza De La Física, 35 (1), 39-52. https://doi.org/10.55767/2451.6007.v35.n1.41389.

Giovanni, Organtini. (2018). Arduino as a tool for physics experiments. Journal of Physics: Conference Series . doi: 10.1088/1742-6596/1076/1/012026.

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