Uso de motores reais no ensino da Termodinâmica: uma abordagem a partir do Laboratório Divergente

## Uso de motores reais no ensino da Termodinâmica: uma abordagem a partir do Laboratório Divergente

João Pedro Garcia Naves Leite 1 , Igor Andrade Cavalcante 2 , Augusto Miguel Cezário Gonçalves 3 , Arthur Novaes Santos 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 , Diogo Pereira do Nascimento 10 , André Barbosa Mendes 11

- 1 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, joaonaves@discente.ufg.br
- 2 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, igorcavalcante@discente.ufg.br
- 3 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, augustomiguel@discente.ufg.br
- 4 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, arthur\_santos@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
- 7 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, murillodurden@discente.ufg.br
- 8 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, mateus\_soares2@discente.ufg.br
- 9 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, adriany@ufg.br
- 10 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, diogo.pereira@discente.ufg.br
- 11 Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, andremendes@ufg.br

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## Resumo

Este trabalho relata a manutenção e restauração de dois motores Stirling e sua apresentação para alunos de ensino médio no evento da XV Escola de Física, da Universidade Federal de Goiás (UFG). A motivação geral dos envolvidos era compreender na prática o funcionamento das tecnologias oriundas dos conceitos estudados na Termodinâmica, o que foi possível com as duas máquinas que estavam há muito guardadas entre os diversos equipamentos de física experimental da faculdade. Usando alguns produtos lubrificantes e de limpeza, um maçarico e uma bomba d'água juntamente de alguns tubos de borracha foi possível fazê-las funcionar novamente. Então com a oportunidade do Grupo de Pesquisa e Divulgação em Termodinâmica (GPDT) Sadi Carnot se apresentar no evento, a compreensão adquirida acerca das máquinas térmicas pôde ser transmitida para um público de fora do meio acadêmico. Durante a visitação dos alunos, enquanto um dos motores foi exibido em funcionamento, acompanhado de explicações orais e vídeos, o outro foi apresentado desmontado para que observassem sua arquitetura e cada uma de suas peças. Como saldo portanto, os discentes foram capazes de restaurar (juntamente a um professor e um técnico) parte do patrimônio da universidade, adquirir novo conhecimento e ensiná-lo fora de sala de aula, desenvolvendo habilidades mecânicas e didáticas durante o processo.

## Palavras-chave : Ensino por investigação, Máquinas térmicas, Termodinâmica

## Introdução

A Física como ciência básica tem evidentemente seu valor, porém este é difícil de ser percebido pelo grande público que se interessa muito mais pela aplicabilidade tecnológica dos conhecimentos do que pelo seu valor acadêmico intrínseco. Isso ocorre já que o primeiro é mais presente em suas vidas enquanto o segundo só é abordado mais profundamente no ambiente acadêmico e, portanto, está distante dos brasileiros ainda nas escolas e daqueles que após essa etapa não deram seguimento com um curso superior, que infelizmente são mais de 75% dos jovens entre 18 e 24 anos (INEP, 2023). Logo, esse foco do interesse das pessoas é algo a se levar em conta quando se busca transmitir conhecimento para alunos do ensino básico. Uma forma de conseguir a atenção deste público então é fazendo a ponte entre as explicações físicas que estudam no ensino médio e o funcionamento das tecnologias com as quais não podemos viver sem. Um exemplo desta conexão é, como a partir de um diagrama de fases de uma máquina térmica obtém-se um carro em movimento? Obviamente uma resposta completa a essa pergunta exige conceitos avançados de diversas áreas da Engenharia que fogem ao escopo dos físicos responder, porém a parte essencial deste processo, o funcionamento do motor, podemos responder e, até certo grau, demonstrar.

De modo convergente a essas questões apontadas, observa-se que as atividades experimentais e o laboratório de Física têm um papel central. É consenso entre professores e alunos que as atividades práticas e experimentais em laboratório, são maneiras de se minimizar as dificuldades de se aprender e de se ensinar Física buscando um aprendizado consistente e emancipador (ARAÚJO, 2003).

Dentro desta perspectiva, o GPDT iniciou a restauração e reabilitação de dois motores tipo Stirling da fabricante Phywe, utilizados para fins didáticos. O

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objetivo era colocá-los em pleno funcionamento para algumas demonstrações durante o evento de extensão anual chamado Escola de Física que ocorre no Instituto de Física da UFG (IFUFG).

Na figura 01 estão os dois motores Stirling tipo alpha que foram retirados do depósito de um dos laboratórios do IFUFG. Nesta imagem, entre as duas máquinas está também um antigo manual da Phywe que contém uma breve descrição destes equipamentos.

Figura 01: Dois motores Stirling, manual Phywe no centro e uma bomba d'água na direita.

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As máquinas estavam há anos sem utilização no IFUFG e não havia muitas informações sobre elas no manual (PHYWE, 2024). Com a ajuda do técnico de laboratório de Física e com insumos fornecidos pelo professor responsável pelo grupo, os alunos começaram a estudar meios de colocá-los em funcionamento de forma que pudesse ser reproduzido com facilidade no dia da apresentação e explicado de forma dinâmica associando cada etapa do ciclo Stirling aos movimentos do motor.

A maior parte da restauração se deu durante o período de greve da universidade, de forma que estimulou os discentes a se manterem conectados com o ambiente acadêmico da Física mesmo sem aulas. Ademais, com os laboratórios desocupados foi mais fácil obter autorização para usar os espaços para trabalhar e os equipamentos auxiliares na montagem do esquema final das máquinas.

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## Desenvolvimento das atividades

Em um procedimento semelhante ao que ocorre na proposta metodológica do Laboratório Divergente (ALVES-FILHO, 2000), inicialmente os estudantes tomaram conhecimento dos materiais e os desafios experimentais que o processo de restauração dos motores Stirling exigiriam. A semelhança dos processos adotados com o Laboratório Divergente é grande, pois em nosso caso estávamos lidando com sistemas reais e existia grande liberdade em escolher os esquemas de solução de problemas e os procedimentos a serem seguidos.

Uma vez compreendido o problema de restauração, a decisão sobre os passos subsequentes foi estabelecida. Os estudantes já entendiam, em teoria, o funcionamento de uma máquina do tipo Stirling, inventada em 1816 pelos irmãos Robert e James Stirling. A busca por esse tipo de motor ocorreu devido ao elevado número de acidentes, muitas vezes fatais, que aconteciam com os motores do tipo Watt, cujas caldeiras eventualmente explodiam devido às condições metalúrgicas de suas estruturas. Pensando nisso, os irmãos Stirling projetaram alternativas com combustão externa que não dependiam da contenção de grandes quantidades de vapor de água, mas apenas de um pistão que se movia devido à expansão e compressão do ar em contato com uma fonte fria e outra quente (BARROS, 2005).

- O primeiro procedimento foi realizar a limpeza e lubrificação das peças, durante o qual constatou-se sons diferentes entre um aparelho e outro, mas que vinham da mesma peça. O problema, porém, só foi identificado muito mais tarde e impediu o grupo de ativar os dois mecanismos ao mesmo tempo, levando a ser preciso desmontar por completo o defeituoso, o qual acabou servindo para compreender-se mais profundamente a arquitetura interna deles.

Depois foi preciso obter as fontes térmicas (uma fria e outra quente) para gerar a diferença de temperatura que causa o movimento do pistão para máquinas de Stirling. A forma como o equipamento seria resfriado foi muito mais facilmente decidido do que se comparado a forma de aquecê-lo.

Para a primeira fonte reutilizou-se um dispositivo do laboratório de Física Experimental II, na qual se introduz a matéria da Termodinâmica, que servia para aquecer e/ou transportar a água dentro de recipientes grandes o suficiente para encaixá-lo. Como o objetivo do grupo com ele era apenas obter a água resfriada que arrefeceria o motor, bastou utilizar a função de bomba d'água.

Com ajuda de finos tubos de borracha transparentes, identificados na figura 02, o líquido pôde fluir do recipiente para a serpentina que circunda o pistão maior e ser depois descartado, como na figura 03. Nesta imagem, a água está sendo devolvida a seu recipiente de origem, o que certamente deve aumentar a temperatura do reservatório, porém para os curtos intervalos de operação aos quais submeteram-se os motores este aquecimento gradual da fonte fria não se provou um problema significativo. Foi cogitado descartar a água em uma outra bacia ou até mesmo numa pia, porém esta opção tinha a desvantagem de não conservar a quantidade de líquido no reservatório e, portanto, foi desconsiderada.

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Figura 02: Como encaixavam-se os tubos na máquina

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Figura 03: Como obtinha-se e descartava-se a água

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Para a segunda fonte foram testados dois métodos de aquecimento diferentes, porém encontrar a posição ideal para o objeto fornecedor de calor na montagem da máquina também constituiu um desafio. Primeiramente tentou-se aquecer o motor com a combustão de uma solução de 'acendedor de churrasqueira' em gel. Neste caso, ilustrado pela figura 04, o recipiente consistia em uma pequena vasilha de cerâmica sobre partes cortadas de latas de alumínio que aumentavam sua altura. A segunda tentativa, que foi adotada como definitiva, foi o uso de um maçarico como na figura 05.

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Figura 04: Primeira forma de aquecimento testada

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Figura 05: Segunda fonte quente testada

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Com o funcionamento do motor garantido, foi decidido como seria executada a apresentação. O quadro negro foi usado de apoio para explicar a parte física do ciclo de Stirling, o modelo funcional da máquina era então posto para rodar diante dos alunos com uma explicação que associava as etapas físicas aos movimentos das peças, então mostrava-se um vídeo representativo de um motor de foguete baseado em Stirling para conectar nossa versão experimental com uma aplicação tecnológica real e por fim o público podia observar o equipamento desmontado e tirar suas dúvidas. Uma quantidade maior de membros do grupo trabalhou com essa exposição do que com a restauração, o que foi mais bem relatado por Cezário Gonçalves em outro trabalho relacionado ao GPDT Sadi Carnot (submetido à publicação para o XXVI Snef).

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## Resultados obtidos

Com os testes, percebeu-se que a máquina que fazia um barulho mais metálico do que a outra acabava por produzir fumaça a partir de um dos seus lados. Na figura 06 tem-se este motor desmontado, possibilitando examiná-lo por dentro. Assim, se notou que o anel de vedação deste pistão havia se soltado e agora conforme o mecanismo subia e descia, com a variação de volume do ar, ele realizava um movimento desajeitado e oscilava horizontalmente raspando pela parede metálica e permitindo ar quente escapar.

Figura 06: A peça que ser parece com um carretel deveria ser envolta por um anel de borracha, mas este desencaixou-se.

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Para a parte que recebia o calor rejeitado pelo equipamento, houve a necessidade de uma modificação para que funcionasse. Pois, conforme várias tentativas indicaram apenas a água não fornecia uma amplitude térmica grande o suficiente para o ar dentro do pistão completar seu ciclo, logo, foi preciso adicionar gelo ao recipiente para abaixar ainda mais a temperatura d'água.

O maior problema encontrado para a primeira solução de fonte quente foi o longo tempo de aquecimento necessário para o motor conseguir manter sua rotação após um tranco inicial externo, além de que não havia muita segurança na hora de parar o dispositivo. O gel acabava sendo quase todo consumido até a máquina estar quente o suficiente, dificultando a reprodutibilidade do resultado, já que a quantidade usada era sempre medida apenas pelo olho. Ademais, a chama produzida não tinha um alcance satisfatoriamente grande, sendo preciso colocar o recipiente com o combustível muito próximo do invólucro do pistão ao ponto em que eles estivessem basicamente encaixados um no outro dificultando cessar a alimentação de calor.

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Pela figura 07, é possível observar o equipamento todo em funcionamento, mas o detalhe mais importante dela é como não é possível ver a parte inferior do cilindro a ser aquecido, pois este está abaixo da parte mais alta da vasilha de cerâmica. Portanto, para retirar o recipiente do combustível era preciso um movimento fino, feito a mão de tombá-lo um pouco de lado para que se desencaixasse do metal da máquina, arriscando sofrer uma queimadura.

Figura 07: Primeira forma de aquecimento durante a medição de temperatura (resultados pouco acima de 400ºC)

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A segunda solução demonstrou-se mais consistente em seus resultados, mais rápida e mais segura. Seu único contratempo foi ajustar sua altura para acertar a base do pistão, pois caso a chama se direcionasse muito para cima ela acabava dilatando duas chapas metálicas que separam a parte em que o calor é absorvido da parte onde é descartado. O ajuste foi feito desnivelando o maçarico em relação ao motor, o que foi obtido colocando-o sobre um banco próximo a mesa, o que pode ser notado nas figuras 05 e 08.

Figura 08: O esquema final de fontes fria e quente funcionando, durante a apresentação.

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## Considerações/Conclusões

Olhando em retrospecto, a variedade de habilidades que foram necessárias para realizar o trabalho denotam um caráter interdisciplinar deste tipo de abordagem às tecnologias da Termodinâmica. Não somente capacidades técnicas/manuais tiveram de ser desenvolvidas para operar e restaurar os motores, como o conhecimento acerca de aplicações práticas do modelo de Stirling (como em foguetes) foram adquiridos para realizar a apresentação, que por sua vez dependeu de um certo grau de conhecimento didático para garantir o entendimento por parte dos alunos. Assim, há motivos para o grupo sustentar que esta linha de trabalho, sendo ampliada a outras aplicações termodinâmicas, constitui uma excelente atividade de ensino e de extensão. Pois, fortalece a formação dos discentes em várias áreas, que por vezes são inatingíveis por aulas convencionais (a exemplo das habilidades técnicas), além de contribuir com o ensino de física para a comunidade que sustenta a universidade através de impostos.

Ademais, a interatividade deste método não se estendeu apenas ao processo do GPDT enquanto executava a restauração das máquinas, mas também ao público que visitou a XV Escola de Física. Pois, estes encontraram um ambiente que, diferente de suas salas de aula, trazia a teoria para 'fora do papel e do quadro', em uma oportunidade incomum de fazer a ligação entre o conteúdo que aprendem e o mundo que os cerca. Portanto, é válido considerar que os estudantes que puderam interagir com a apresentação do grupo saíram do evento percebendo a Física com uma nova óptica, mais interessada e que valoriza mais a ciência, o que é um pequeno, mas importante passo na construção de uma futuro mais intelectual para o Brasil.

## Referências

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Censo da Educação Superior 2022. Brasília: Inep, 2023. Disponível em:

https://download.inep.gov.br/educacao\_superior/censo\_superior/documentos/2022/a presentacao\_censo\_da\_educacao\_superior\_2022.pdf 21 ago. 2024.

ARAÚJO, Mauro Sérgio Teixeira de; ABIB, Maria Lúcia Vital dos Santos. Atividades

experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades.

PHYWE. Disponível em: https://www.phywe.com/ ago. 2024.

Revista Brasileira de ensino de física, v. 25, p. 176-194, 2003.Barros, Robledo Wakin et al. Avaliação teórica e experimental do motor Stirling modelo solo 161 operando com diferentes combustı́veis. Universidade Federal de Itajubá, 2005.

ALVES-FILHO, J. P. Regras da transposição didáticas aplicadas ao laboratório didático, Publicado no Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 17, n. 2, ago. 2000.

CEZÁRIO GONÇALVES, A. M. Experiência do Projeto Sadi Carnot na Escola da Física. Submetido à publicação para o XXVI Snef

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