UTILIZAÇÃO DE SIMULAÇÕES INTERATIVAS PARA O ENSINO DE TRANSFORMAÇÕES GASOSAS: UMA ABORDAGEM CONCRETA PARA A COMPREENSÃO DOS PARÂMETROS TERMODINÂMICOS

## UTILIZAÇÃO DE SIMULAÇÕES INTERATIVAS PARA O ENSINO DE TRANSFORMAÇÕES GASOSAS: UMA ABORDAGEM CONCRETA PARA A COMPREENSÃO DOS PARÂMETROS TERMODINÂMICOS

Marcos Paulo da Cunha Martinho¹

1 UFRRJ/CTUR/ marcos.martinho@ufrrj,br

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## Resumo

O ensino de transformações gasosas na física frequentemente enfrenta desafios relacionados à abstração dos conceitos e à dificuldade dos alunos em visualizar e compreender os parâmetros termodinâmicos. Este artigo propõe uma abordagem visual utilizando simulações interativas do site PhET-Colorado para facilitar a aprendizagem desses conceitos de maneira concreta e prática. A aplicação das leis de Charles e Boyle-Mariotte em cenários virtuais demonstrou ser uma estratégia eficaz, proporcionando aos alunos uma compreensão mais concreta e aplicável. Os estudantes utilizam as simulações de forma deliberada e sem roteiros, após a compreensão dos parâmetros envolvidos eles tentam resolver problemas propostos. Contudo, a persistência de desafios no discernimento de processos isotérmicos e isobáricos sinaliza a necessidade de aprimoramento contínuo das metodologias de ensino.

Palavras-chave : Transformações Gasosas, Simulações Interativas, variáveis Termodinâmicos.

## Introdução

O ensino dos gases e suas transformações no Ensino Médio é fundamental para a compreensão dos princípios básicos da termodinâmica e da física em geral. Ao estudar as propriedades dos gases e suas transformações, os alunos desenvolvem habilidades críticas de análise e resolução de problemas, além de compreenderem conceitos essenciais como pressão, volume e temperatura. Esses conhecimentos são aplicáveis em diversas áreas da ciência e da engenharia, além de serem fundamentais para a compreensão de fenômenos naturais e tecnológicos do cotidiano, como o funcionamento de motores e refrigeradores. Além disso, acreditamos que o estudo dos gases pode promover uma visão integrada da física, possibilitando a conexão entre a teoria e prática através de experimentos e/ou simulações de causa e efeito que , que segundo a referência (PERKINS et al., 2006) torna o aprendizado mais significativo e engajador para os estudantes.

A literatura científica brasileira apresenta escassos estudos sobre o ensino dos gases no tocante às atividades práticas, destacando-se a criação de um produto educativo econômico baseado na plataforma Arduino para ilustrar as variáveis de estado de gases ideais no Ensino Médio (CARDOSO; ZANIN, 2019). A abordagem, apesar de não utilizar recursos simples para a realidade das escolas brasileiras, conseguiu desenvolver um aparato experimental para coleta de dados qualitativos e quantitativos. Essas metodologias experimentais, aplicadas em sala de aula, segundo os autores, contribuíram para a aprendizagem dos conceitos termodinâmicos, tornando o processo de ensino mais dinâmico e envolvente. A prática experimental proposta visou combater o desinteresse e melhorar o desempenho dos alunos em física, facilitando a compreensão e aplicação dos conceitos teóricos.

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

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As dificuldades dos alunos em relação à aprendizagem das transformações gasosas na física são variadas e mencionadas na literatura. Entre as principais dificuldades estão a abstração dos conceitos de pressão, volume e temperatura, a falta de conexão com o cotidiano e as metodologias de ensino tradicionais que focam na memorização de fórmulas (ARONS, 1997). Essas dificuldades destacam a importância de metodologias de ensino mais interativas e conectadas ao cotidiano dos alunos, além de um maior foco na experimentação prática para facilitar a compreensão dos conceitos (ERINOSHO, 2013).

Uma alternativa a falta de laboratórios, realidade da maioria das escolas, pode ser o uso dos laboratórios didáticos virtuais. O uso de simulações no ensino de Física apresenta várias vantagens, como a melhoria na compreensão dos fenômenos, maior interatividade em sala de aula e a visualização de conceitos abstratos. No entanto, também existem desvantagens, como a complexidade na modelagem dos fenômenos, limitações tecnológicas e a falta de formação adequada para os educadores (JAIME; LEONEL,2024). As simulações Physics Education Technology (PhET), por exemplo, são ferramentas flexíveis que permitem aos alunos escolherem seu próprio caminho de aprendizado, oferecendo conexões concretas com o mundo real e feedback dinâmico em tempo real. Essas características ajudam os alunos a formular e responder perguntas de maneira produtiva, promovendo uma exploração engajada dos tópicos científicos (PODOLESKY; ADAMS; PERKINS, 2010).

A eficácia das simulações educacionais é intrinsecamente ligada à precisão dos modelos computacionais e à capacidade dos pesquisadores de interpretar os dados obtidos. Desafios como a compreensão conceitual inadequada e a instabilidade dos modelos, além da excessiva dependência de tecnologias sem base teórica sólida, podem afetar negativamente a validade das conclusões. No contexto educacional, a motivação dos alunos é essencial para o sucesso das simulações como ferramentas de aprendizagem, requerendo métodos que promovam o engajamento e estimulem a curiosidade científica. Por outro lado, embora as simulações possam transmitir conceitos de movimento e processos mais eficazmente do que imagens estáticas ou sequências delas, sugerindo uma superioridade sobre os materiais didáticos tradicionais, é um equívoco considerá-las equivalentes a experimentos reais. É crucial reconhecer que, apesar de serem ferramentas poderosas, as simulações também podem comunicar uma realidade distorcida com maior eficiência, e nunca devem ser vistas como representações exatas da realidade (MEDEIROS; MEDEIROS, 2002).

Com base no exposto, sugerimos uma metodologia didática para facilitar o aprendizado dos princípios termodinâmicos por meio de transformações gasosas, utilizando simulações computacionais interativas. Nosso propósito é fazer com que os alunos saiam da abstração e possam construir os conceitos de maneira concreta sobre os parâmetros termodinâmicos, assim adquirindo uma compreensão mais aprofundada e tangível das transformações gasosas. Esta abordagem visa não apenas a memorização, mas o entendimento lógico e a aplicação prática dos conceitos termodinâmicos em situações reais.

## Metodologia

O estudo de caso conduzido foi aplicado a uma turma do Curso Técnico em Informática para Internet, na modalidade de ensino médio integrado, do Instituto Federal do Rio de Janeiro (IFRJ), Campus Engº Paulo de Frontin, composta por 38

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estudantes. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar a aplicabilidade e eficácia do uso das simulações computacionais no ensino da física.

A metodologia adotada envolve a utilização de uma simulação que pode ser acessada de forma remota no site do PHET 1 onde um gás é confinado em um recipiente sob pressão constante (Figura 1). Os alunos são incentivados a manipular de forma livre, ou seja, sem uso de roteiros, recomenda-se que os alunos busquem compreender a ação de todos os botões e parâmetros da aplicação computacional. Após o entendimento dos parâmetros disponíveis na simulação, os alunos são solicitados a responder a algumas questões sobre o conteúdo do estudo dos gases, que incluem:

- 1. Adição e Remoção de Calor: Os alunos adicionam ou retiram calor do sistema para observar as mudanças na energia interna do gás e no volume do recipiente. Esta atividade visa ilustrar a relação entre calor, energia interna e volume em um sistema gasoso.
- 2. Escapamento de Gás: Em uma segunda situação, os alunos verificam o que acontece com a pressão quando uma quantidade de gás escapa do recipiente, simulando o funcionamento de uma panela de pressão. Esta atividade ajuda a compreender a relação entre a quantidade de gás e a pressão em um sistema fechado.

Figura 1 -O esquema da situação de estudo sobre transformação isobáricas proposta para os alunos (fonte: https://phet.colorado.edu/pt\_BR/simulations/gasesintro/teaching-resources)

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Após o estudante se familiarizar com a simulação, ele é convidado a responder a um questionário conciso de cinco questões qualitativas, que abordam os conceitos fundamentais das transformações gasosas. Este questionário é elaborado para focar na assimilação e compreensão desses conceitos qualitativos sobre o conteúdo apresentado (Figura 2), conforme detalhado na lista subsequente:

- 1. Transformações Isobáricas : Entender como a temperatura e o volume de um gás mudam sob pressão constante.
- 2. Transferência de Calor : Compreender o efeito da adição ou remoção de calor em um sistema de gás.
- 3. Ciclos Térmicos : Analisar o comportamento de um sistema sob ciclos de aquecimento e resfriamento contínuos.

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A atividade foi realizada de forma integrada às aulas semanais sobre o assunto dentro do curso de Termodinâmica. Obedecendo a seguinte ordem a equação de Clapeyron, transformações gasosas e leis da termodinâmica. O objetivo do uso das simulações foi para mostrar de maneira visual o que aconteceria com o gás ao alterar os parâmetros termodinâmicos visando sempre reforçar o processo de aprendizado dos conceitos abordados durante as sessões presenciais. Esta abordagem simultânea foi fundamental para consolidar o conhecimento e garantir que os alunos pudessem aplicar o que foi ensinado.

## Análise de dados

Nesta seção, exploraremos os dados e análises oriundos do estudo de caso sobre o uso de simulações computacionais para entender as transformações gasosas. Serão detalhadas as perguntas formuladas aos alunos e as respostas por eles fornecidas. A cada questão, procederemos com uma análise dos dados, buscando verificar o nível da compreensão dos estudantes em relação ao conteúdo explorado na simulação.

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Figura 3 - Questão 2

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Figura 4 - Questão 3

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A análise da primeira questão revela uma compreensão quase unânime do comportamento dos gases sob aquecimento. Com 97,3% dos alunos reconhecendo que um gás se expande e realiza trabalho quando aquecido em um recipiente de volume constante, reflete o entendimento correto da Lei de Charles, que estabelece a relação direta entre temperatura e volume quando a pressão é mantida constante. A minoria de 2,7% que acredita na contração do gás pode estar confundindo este cenário com uma transformação isotérmica, onde o trabalho externo poderia causar a contração. A ausência de respostas indicando que o gás permanece imóvel sugere que não há mal-entendidos significativos sobre a inatividade dos gases em tais condições.

O comportamento da pressão interna em uma simulação de transformação gasosa livre indica, na questão 2, uma compreensão unânime de que, se uma certa quantidade de gás escapar de um recipiente, a pressão interna diminuirá. Esta conclusão está alinhada com os princípios da física, especificamente com a lei de Boyle-Mariotte, que estabelece que, para uma quantidade fixa de gás ideal mantida a uma temperatura constante, a pressão e o volume são inversamente proporcionais.

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Portanto, se o volume do gás aumenta devido à fuga de parte dele, a pressão deve diminuir, assumindo que a temperatura e a quantidade de gás restante permaneçam constantes. Esta compreensão reflete uma interpretação correta dos conceitos físicos subjacentes às transformações gasosas e sugere uma assimilação efetiva do conteúdo abordado pela simulação computacional.

A avaliação dos dados da terceira questão, indica que há um entendimento comum de que a energia interna de um sistema tende a reduzir-se com a remoção de calor, desde que a pressão se mantenha inalterada. Com 73% dos participantes optando por essa alternativa, reflete-se um entendimento alinhado com o primeiro princípio da termodinâmica, que correlaciona a transferência de calor e a realização de trabalho com a variação da energia interna. A opção que sugere um aumento da energia interna, escolhida por apenas 2,7% dos respondentes, indica uma interpretação equivocada do conceito, enquanto os 24,3% restantes que consideram a energia interna constante podem estar negligenciando o fato de que a remoção de calor, por definição, implica uma transferência de energia para fora do sistema. Esses dados são cruciais para a elaboração de estratégias pedagógicas que visem esclarecer e solidificar o entendimento termodinâmico dos estudantes.

Por fim, a verificação dos dados coletados da quarta questão, indica um entendimento das propriedades dos gases em condições isotérmicas. Quase a totalidade dos estudantes (97,3%) identificou acertadamente que o volume do gás se alteraria ciclicamente com a aplicação alternada de calor e frio na fonte de calor, imitando o mecanismo de uma máquina térmica. Esse achado confirma a compreensão firme do conceito de que há uma relação direta entre temperatura e volume de um gás, de acordo com a Lei de Charles. A inexistência de respostas que sugerissem um volume constante ou uma variação unidirecional indica que os alunos absorveram adequadamente as noções de expansão e compressão térmica. Esse conhecimento é essencial para a aplicação prática de princípios termodinâmicos, como no desenvolvimento de motores e sistemas de refrigeração.

Assim, as simulações computacionais se confirmam como um recurso pedagógico útil e significativo, facilitando o aprendizado interativo e consolidando a teoria por meio da visualização de fenômenos físicos.

## Considerações finais

As considerações finais deste artigo ressaltam a importância das simulações computacionais como uma ferramenta pedagógica valiosa no ensino das leis dos gases. A capacidade de visualizar e manipular os parâmetros gasosos em um ambiente virtual permitiu aos alunos uma compreensão mais aprofundada dos conceitos teóricos, o que é evidenciado pela correta aplicação das leis de Charles e Boyle-Mariotte. No entanto, as dificuldades encontradas na distinção entre transformações isotérmicas e isobáricas apontam para a necessidade de estratégias de ensino mais robustas, que possam abordar essas áreas de confusão. A relevância prática do entendimento desses princípios é inquestionável, considerando sua aplicação em tecnologias que afetam diretamente o nosso cotidiano. Portanto, recomenda-se que futuras pesquisas se concentrem em otimizar o uso de simulações computacionais para superar os desafios de aprendizagem identificados.

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A utilização de simulações interativas como ferramenta pedagógica no ensino de transformações gasosas pode proporcionar uma aprendizagem mais significativa e engajadora. Ao permitir que os alunos manipulem diretamente os parâmetros termodinâmicos, a simulação facilita a construção de conceitos de maneira concreta, promovendo uma compreensão mais profunda e duradoura dos fenômenos físicos.

## Referências

ARONS, A. B. (1997). Teaching Introductory Physics. USA: John Wiley &amp; Sons, Inc.

CARDOSO, J. M., ZANNIN, M. (2019). Proposta experimental para análise das variáveis de estado dos gases com Arduino . Revista Brasiliera de Ensino de Física .

ERINOSHO, S. Y. (2013). How Do Students Perceive the Difficulty of Physics in Secondary School? International Journal for Cross-Disciplinary Subjects in Education .

JAIME, D. M., LEONEL, A. A. (2024). Uso de simulações: Um estudo sobre potencialidades e desafios apresentados pelas pesquisas da área de ensino de física simulações. Revista Brasileira de Ensino de Física .

NOAH S. PODOLESKY, K. K. (2010). Factors promoting engaged exploration with computer simulations. The American Physical Society .

Perkins, K., Adams, W., Dubson, M., Finkelstein, N., Reid, S., Wieman, C., &amp; LeMaster, R. (2006). PhET: Interactive Simulations for Teaching and Learning Physics. The Physics Teacher, 44(1), 18-23.

MEDEIROS, A., MEDEIROS, C. F. de. (2002)Possibilidades e Limitações das Simulações Computacionais no Ensino da Física 21 . Universidade Federal Rural de Pernambuco . Recebido em 3 de abril, 2002 3 . Aceito em 12 de abril, 2002

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