EXPERIÊNCIA DO PROJETO SADI CARNOT NA ESCOLA DE FÍSICA

## EXPERIÊNCIA DO PROJETO SADI CARNOT NA ESCOLA DE FÍSICA

Augusto Miguel Cezário Gonçalves 1 , Arthur Novaes Santos 2 , João Pedro Garcia Naves Leite 3 , Igor Andrade Cavalcante 4 , Isabella Marinho de Lima 5 , Gabriel Carvalho Lopes de Menezes 6 , Murillo Henrique Santana 7 , Mateus Rodrigues Soares 8 , Jefferson Adriany Ribeiro da Cunha 9 , Sarah Giordhana Souza Xavier 10

- 1 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, augustomiguel@discente.ufg.br

- 4 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, igorcavalcante@discente.ufg.br
- 5 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, isabellamarinho@discente.ufg.br
- 6 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, gabriel23@discente.ufg.br

- 9 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, adriany@ufg.br

## Resumo

Este trabalho descreve a experiência vivenciada pelo projeto de extensão Sadi Carnot, pertencente ao Grupo de Pesquisa e Divulgação em Termodinâmica (GPDT), durante a XV Escola de Física, evento que reuniu alunos do ensino médio em atividades de divulgação científica na Universidade Federal de Goiás (UFG). O objetivo foi aproximar os alunos dos conceitos fundamentais da termodinâmica por meio de demonstrações práticas dos ciclos de Carnot, Stirling, Diesel e Otto. Iniciamos a apresentação introduzindo Sadi Carnot, suas contribuições para a física e a origem do nome do nosso grupo. Em seguida, detalhamos o funcionamento do ciclo de Carnot, explicando sua importância teórica na definição do rendimento máximo possível de uma máquina térmica. A partir dessa base teórica, realizamos demonstrações com modelos interativos, como o motor Stirling, onde os alunos puderam observar na prática a movimentação de pistões causada pela diferença de temperatura entre uma fonte quente e uma fria. Posteriormente, apresentamos maquetes dos ciclos Diesel e Otto, permitindo que os alunos pudessem interagir diretamente com os modelos, visualizando as etapas de compressão, combustão e expansão dos motores. A atividade finalizou com uma discussão sobre as novas pesquisas em termodinâmica e sua importância no contexto de eficiência energética. O evento proporcionou um ambiente de aprendizagem dinâmica e interativa, favorecendo a compreensão dos alunos sobre os ciclos termodinâmicos e seu impacto nas tecnologias do cotidiano.

Palavras-chave : Termodinâmica, Ciclos Termodinâmicos, Ensino de Física

## Introdução

A termodinâmica, um campo essencial dentro da física, tem sido frequentemente negligenciada tanto no ensino superior quanto no ensino médio. No ensino superior, estudos indicam que muitos alunos entram nos cursos com

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percepções negativas sobre a termodinâmica, considerando-a abstrata e difícil. Isso resulta em um aprendizado superficial e desinteressado, agravado pela falta de uma abordagem integrada que conecte a matemática com os conceitos termodinâmicos fundamentais (BECKER; TOWNS, 2014).

No ensino médio, a situação também é preocupante. Com a implementação da nova Base Nacional Comum Curricular (BNCC) (BRASIL, 2018) e as mudanças trazidas pela Lei nº 13.415/2017 (BRASIL, 2017), houve um enxugamento significativo dos conteúdos de física, incluindo a termodinâmica. Essa redução compromete a compreensão dos estudantes sobre a importância da termodinâmica, limitando sua exposição a esse campo crucial e suas aplicações práticas.

Essa lacuna no foco acadêmico motivou a criação de um grupo dedicado à divulgação e estudo dessa área tão relevante para a compreensão dos processos energéticos e tecnológicos que moldam o mundo contemporâneo. Assim surgiu, dentro do Instituto de Física da Universidade de Goiás (IFUFG), o Grupo de Pesquisa e Divulgação em Termodinâmica (GPDT), um grupo formado por estudantes e apoiado por professores e técnicos do IFUFG. Uns dos propósitos centrais do grupo é revitalizar o interesse pela termodinâmica e disseminar seu conhecimento tanto para a comunidade acadêmica quanto para o público em geral.

Buscando a disseminação dos temas vinculados à termodinâmica, dentro do GPDT, foi criado o projeto de extensão Sadi Carnot, inspirado no legado do renomado engenheiro militar francês. O projeto busca não apenas ensinar, mas também engajar e despertar o interesse do público por meio de demonstrações práticas e acessíveis de temas e fenômenos da termodinâmica.

O projeto Sadi Carnot colocou em prática várias atividades de divulgação e aprendizagem no ano de 2024, durante XV Escola de Física do IFUFG. A Escola de Física é um evento anual organizado pelo IFUFG, com o intuito de divulgar a física e o próprio instituto para os estudantes e professores das escolas de ensino médio. O evento oferece uma variedade de atividades, incluindo palestras, apresentações de projetos de extensão, passeios pelo Instituto, entre outros, todos distribuídos ao longo de três dias. O foco principal do evento é atrair alunos do ensino médio, incentivando-os a explorar o mundo da física de maneira mais aprofundada e envolvente.

Percebendo a convergência entre os objetivos do nosso projeto e os propósitos da Escola da Física, decidimos participar do evento. Durante ele, o projeto Sadi Carnot conduziu diversas atividades práticas focadas na aplicação dos conceitos de termodinâmica. Entre as principais ações desenvolvidas, destacam-se a recuperação e utilização de um motor Stirling, a demonstração dos ciclos Otto e Diesel através de maquetes interativas, e o uso de recursos visuais e vídeos explicativos. Essas atividades foram cuidadosamente planejadas para facilitar a compreensão dos conceitos teóricos e demonstrar suas aplicações práticas, promovendo um aprendizado mais envolvente e integrado.

Esta participação não só nos permitiu divulgar a termodinâmica para um público leigo, mas também fortaleceu a presença do GPDT dentro da comunidade acadêmica e do ensino médio.

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## Desenvolvimento das Atividades

Durante o desenvolvimento das atividades do projeto Sadi Carnot, a equipe se envolveu em uma série de tarefas práticas e experimentais com o objetivo de criar demonstrações didáticas envolventes sobre os principais ciclos termodinâmicos conforme descrito por Sears e Salinger (1998). Cada atividade foi elaborada com foco no aprendizado ativo, essencial para a compreensão de conceitos abstratos da termodinâmica. A primeira grande tarefa envolveu a recuperação e adaptação de um motor Stirling (Figura 01), encontrado no Instituto de Física. Esse motor, essencial para ilustrar o ciclo Stirling, não estava em funcionamento devido a problemas causados pelo desgaste da máquina e pela mesma estar há muito tempo inoperante.

O processo de recuperação começou com uma análise detalhada do motor. O equipamento foi desmontado para identificar o problema, que consistia na falta de lubrificação e de fontes, fria e quente, necessárias para o seu funcionamento. Após o diagnóstico, iniciou-se o trabalho de restauração. Para restabelecer o funcionamento do motor, foi utilizado um aquecedor de laboratório proveniente do Laboratório Experimental II, originalmente usado para aquecer água em experimentos científicos. Esse aquecedor foi adaptado, desativando sua função de aquecimento de água, para que pudesse ser utilizado apenas para movimentar a água gelada através de uma serpentina conectada ao motor Stirling (Figura 02), assim se adequando como fonte fria do motor.

Figura 01: Motor stirling em funcionamento, a imagem ilustra o maçarico de acampamento aquecendo o tubo de ar do motor, agindo como a fonte quente.

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Figura 02: Aquecedor adaptado fornecido pelo Laboratório Experimental II do IFUFG, funcionando como um motor que faz a água gelada passar pela serpentina do tubo de ar, atuando como a fonte fria.

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A configuração do sistema de resfriamento foi crucial para garantir o funcionamento do motor. Uma grande bacia com água gelada e gelo foi posicionada ao lado do motor, garantindo que a água circulasse continuamente através da serpentina, resfriando o ar no processo. Em paralelo, para aquecer o ar necessário para o funcionamento do motor, utilizou-se um pequeno maçarico de acampamento, estrategicamente posicionado no bico do tubo de ar do motor (Figura 01), permitindo que o pistão se movesse ao ser aquecido. Esse aquecimento e resfriamento coordenados são essenciais para que o ciclo Stirling funcione corretamente, convertendo a energia térmica em trabalho mecânico.

Além do motor Stirling, a equipe também preparou demonstrações dos ciclos Otto e Diesel, utilizando maquetes (Figura 03) emprestadas do Pátio da Ciência (UFG, 2024), outro projeto de extensão do Instituto de Física. Essas maquetes eram representações detalhadas dos motores Otto e Diesel, projetadas para expor as quatro etapas de funcionamento de um motor: admissão, compressão, combustão e exaustão. Cada maquete era equipada com uma manivela que, ao ser girada pelos apresentadores, movia o pistão dentro do motor, permitindo que os participantes visualizassem as etapas do ciclo em tempo real.

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Figura 03: Maquetes dos motores diesel e otto respectivamente.

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Para facilitar ainda mais a compreensão, foram preparados cartazes detalhados que ilustravam os ciclos completos, desde a entrada do combustível até a expulsão dos gases resultantes da combustão. Esses cartazes estavam posicionados logo abaixo das maquetes, permitindo que os alunos acompanhassem visualmente o que estava acontecendo dentro do motor enquanto a explicação ocorria. Isso permitiu uma conexão direta entre a teoria e a prática, algo essencial para o aprendizado efetivo.

A demonstração do ciclo Stirling também foi enriquecida com recursos visuais adicionais. Um desenho detalhado no quadro ilustrou o ciclo Stirling em suas várias etapas (Figura 04), complementado por um cartaz que explicava o funcionamento do motor de forma esquemática. Além disso, em cada bancada de demonstração, foram colocados notebooks que exibiam vídeos ilustrativos sobre a aplicação prática dos motores em diferentes contextos. Por exemplo, para o ciclo Stirling, foi exibido um vídeo mostrando sua aplicação em satélites, destacando a importância da eficiência energética em ambientes espaciais, onde os recursos são limitados e a eficiência é crucial (YouTube, 2023a; YouTube, 2023b; YouTube, 2023c).

Figura 04: Desenho detalhado, ilustrando o ciclo Stirling e suas etapas, além da equação para o rendimento energético ideal de Carnot.

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Cada uma dessas atividades foi meticulosamente planejada para garantir que os conceitos de termodinâmica fossem apresentados de forma clara e acessível. O objetivo era garantir que todos os participantes, independentemente de seu nível de conhecimento prévio, saíssem com uma compreensão mais profunda e aplicada dos ciclos termodinâmicos e de sua importância tanto em contextos acadêmicos quanto práticos.

## Resultados Obtidos

No dia da apresentação, todo o planejamento e preparação culminaram em uma execução bem-sucedida das atividades. O motor Stirling, após a recuperação e adaptação cuidadosa, funcionou perfeitamente, permitindo que os participantes vissem o ciclo em ação. O movimento do pistão, causado pela alternância entre aquecimento e resfriamento do ar, foi um dos pontos altos da apresentação, atraindo

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a atenção e a curiosidade dos alunos. Eles puderam observar diretamente como o ciclo Stirling converte energia térmica em trabalho mecânico, tornando o conceito de termodinâmica mais tangível e compreensível (Figura 05).

As maquetes dos ciclos Otto e Diesel também tiveram um impacto significativo. Os participantes não só entenderam as quatro etapas de cada ciclo, mas também puderam visualizá-las em tempo real através da manipulação das maquetes (Figura 06). O uso das manivelas para mover os pistões dentro das maquetes, combinado com as explicações detalhadas fornecidas pela equipe, permitiu uma compreensão profunda de como esses motores funcionam e de suas aplicações práticas em veículos. A equipe foi composta por oito membros do projeto, que atenderam diretamente cerca de seis alunos visitantes durante as demonstrações. Esse contato próximo permitiu uma interação mais individualizada, favorecendo discussões e perguntas dos estudantes.

Os vídeos exibidos nos notebooks foram um complemento crucial para as demonstrações práticas. Eles ajudaram a contextualizar os conceitos aprendidos, mostrando como os ciclos termodinâmicos são aplicados em diferentes tecnologias, desde veículos terrestres até satélites espaciais (YouTube, 2023a; YouTube, 2023b; YouTube, 2023c). Isso não só reforçou o aprendizado teórico, mas também inspirou os alunos ao mostrar as possibilidades práticas e as aplicações avançadas dos conceitos que estavam estudando.

Ao final da apresentação, foi feita uma recapitulação abrangente dos conceitos discutidos e das demonstrações realizadas. A relevância contínua da termodinâmica no desenvolvimento de tecnologias mais eficientes e sustentáveis foi enfatizada, conectando o que foi aprendido durante a apresentação com as tendências futuras da ciência e da engenharia. Essa conclusão não apenas reforçou os conhecimentos adquiridos pelos participantes, mas também os incentivou a considerar a importância da termodinâmica em suas futuras carreiras acadêmicas e profissionais.

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Figura 05: Estudantes, membros do Sadi Carnot, explicando o funcionamento do motor Stirling etapa por etapa.

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Figura 06: Membros da equipe Sadi Carnot explicando o funcionamento e as aplicações do motor Diesel e otto, juntamente com seus respectivos ciclos e rendimentos.

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Em resumo, os resultados obtidos durante a apresentação foram extremamente positivos. Conseguiram-se não apenas transmitir conceitos complexos de termodinâmica de uma forma acessível e envolvente, mas também despertar o interesse e a curiosidade dos participantes. O sucesso das atividades foi evidenciado pelo alto nível de engajamento dos alunos e pela qualidade das discussões que surgiram durante e após as demonstrações.

## Considerações/conclusões

Analisando a necessidade de se desenvolver a divulgação do tema da termodinâmica, foi criado o projeto GPDT Sadi Carnot. Este projeto foi aplicado dentro da XV Escola de Física, onde, através de atividades cuidadosamente planejadas e executadas, conseguimos resultados importantes após a dinâmica realizada.

As atividades práticas, como a recuperação do motor Stirling e as demonstrações dos ciclos Otto e Diesel, possibilitaram que conceitos complexos fossem apresentados de maneira acessível e envolvente. A utilização de maquetes, vídeos e explicações detalhadas permitiu uma conexão efetiva entre teoria e prática, facilitando a compreensão dos participantes sobre a relevância da termodinâmica em contextos reais.

O projeto atingiu seu objetivo de disseminar o conhecimento de forma clara, proporcionando um ambiente de aprendizado interativo e estimulante. O alto nível de engajamento dos participantes e a qualidade das discussões geradas evidenciaram o sucesso das atividades. Dessa forma, os resultados obtidos foram fundamentais para abordar e mitigar o problema inicialmente identificado, que é a negligência do ensino de termodinâmica. A aplicação prática dos conceitos permitiu que o projeto alcançasse seu objetivo principal: despertar o interesse pela física por meio de experiências interativas, fomentando um ambiente de aprendizado dinâmico e engajador.

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## Referências

BRASIL. Lei nº 13.415, de 16 de fevereiro de 2017. Altera as diretrizes e bases da educação nacional e estabelece a reformulação do ensino médio. Disponível em: http://www.planalto.gov.br/ccivil\_03/\_Ato2015-2018/2017/Lei/L13415.htm . Acesso em: 14 ago. 2024.

BRASIL. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular (BNCC) Brasília, 2018. Disponível em: http://basenacionalcomum.mec.gov.br/ . Acesso em: 14 ago. 2024.

SEARS, F. W.; SALINGER, G. L. Termodinâmica. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1998.

BECKER, N. M.; TOWNS, M. H. A review of research on the teaching and learning of thermodynamics at the university level. Chemistry Education Research and Practice , Cambridge, v. 15, n. 2, p. 208-218, 2014. DOI: 10.1039/C4RP00011K. Disponível em:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/rp/c4rp00011k . Acesso em: 14

ago. 2024.

UFG. Pátio da Ciência . Universidade Federal de Goiás. Goiânia. 2024. Disponível em: https://patiodaciencia.ufg.br. Acesso em: 14 ago. 2024.

YOUTUBE. Stirling engine - how it works . 2023a. Disponível em: https://youtu.be/qeGQgPQsJJI. Acesso em: 14 ago. 2024.

2023b. Disponível em:

YOUTUBE. Stirling Engine as a Heat Pump . https://youtu.be/r7tdbmyTd0M. Acesso em: 14 ago. 2024.

YOUTUBE. Application of Stirling engines . 2023c. Disponível em: https://m.youtube.com/watch?v=KKnu73DJbEQ. Acesso em: 14 ago. 2024

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