Análise do Processo de Absorção e Dispersão de Radiação Térmica com Microcontrolador Arduino e Sensores Ds18b20

## ANÁLISE DO PROCESSO DE ABSORÇÃO E DISPERSÃO DE RADIAÇÃO TÉRMICA COM MICROCONTROLADOR ARDUINO E SENSORES DS18B20

## Thiago Auer Camilo de Jesus 12 , Laércio Ferracioli 3 e Carlos Augusto Cardoso Passos 3

1 EEEFM José Pinto Coelho, escolajosepinto@sedu.es.gov.br

- 2 Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação de Colatina, inova@colatina.es.gov.br
- 3 Universidade Federal do Espírito Santo, PPGEnFís, ppgenfisufes@gmail.com

## Resumo

Neste trabalho foi implementado um experimento de Física que tem por objetivo investigar a absorção de radiação eletromagnética e o subsequente incremento térmico em superfícies de distintas cores e propriedades materiais. Para tanto, foram empregadas quatro latas de alumínio, sendo uma de cor vermelha, outra branca, uma preta e uma última revestida por folha de alumínio. As latas foram dispostas em uma caixa cujas paredes internas foram igualmente revestidas com papel alumínio, submetidas à irradiação proveniente de uma lâmpada incandescente estrategicamente posicionada na tampa da caixa. Tal lâmpada emite radiação tanto no espectro visível quanto no infravermelho. As medidas de temperatura de cada lata foram realizadas por meio de sensores DS18B20, integrados a um microcontrolador Arduino Nano com display LCD para visualizar os dados. Os dados experimentais revelaram uma relação direta entre a coloração das latas e a quantidade de radiação absorvida, com a lata preta registrando o maior aumento de temperatura, seguida pela lata vermelha, branca, e, por fim, a lata revestida com papel alumínio, que refletiu a maior parte da radiação incidente. Este experimento é um exemplo da aplicação prática de conceitos fundamentais da Física, como a absorção de fótons, em conjunto com tecnologias atuais, permitindo medições de variáveis físicas.

Palavras-chave : Absorção de Fótons, Arduino, Ensino de Física

## Introdução

O estudo da interação da radiação eletromagnética com a matéria constitui um dos pilares da Física moderna, sendo essencial para a compreensão de fenômenos em diversas áreas do conhecimento científico. A absorção de radiação é um fenômeno elementar, especialmente quando se considera a interação entre diferentes materiais e comprimentos de onda específicos. Os fenômenos ondulatórios, como a propagação da luz e sua absorção são fundamentais para o entendimento do experimento proposto neste trabalho. A radiação emitida por uma lâmpada incandescente, que abrange tanto o espectro visível quanto o infravermelho, ao interagir com a matéria, responde de formas variadas, pois depende das características da superfície, como por exemplo, da cor do material. Superfícies escuras absorvem a maior parte da radiação incidente, resultando em um significativo aumento de temperatura. Em contrapartida, superfícies claras ou altamente reflexivas tendem a refletir a maior parte da radiação, exibindo, consequentemente, uma menor elevação térmica (Scarinci & Marineli, 2014). Esse conceito é frequentemente explorado em estudos sobre eficiência energética, onde o

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20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

uso de cores claras é recomendado para minimizar a absorção de calor em edificações.

Dentro do estudo da Física contemporânea, a manipulação quantitativa dessas interações tornou-se acessível com o surgimento de plataformas como o Arduino, que possibilitam o desenvolvimento de dispositivos de medição customizados e eficientes. A aplicação de sensores aliados a estas plataformas têm se consolidado em experimentos devido à sua versatilidade e acessibilidade, além de promover uma curiosidade e criatividade do estudante permitindo ao professor realizar interdisciplinaridade entre disciplinas (Passos, 2023). Estudos como o de Jesus & Ferracioli (2023), Menelli et al. (2019) e da Rosa et al. (2016) mostram como o Arduino pode ser útil no ensino de Física na aquisição de dados em tempo real, permitindo medidas de fácil acesso.

Neste trabalho utilizamos sensores de temperatura DS18B20 conectados a um microcontrolador Arduino Nano para medir a temperatura de latas de refrigerante coloridas. As latas foram dispostas dentro de uma caixa de papelão revestida de papel alumínio para minimizar a perda de energia térmica e maximizar a reflexão da luz, emitida por uma lâmpada incandescente colocada no interior da caixa. Os resultados mostraram que o experimento pode auxiliar nas aulas de Física e demais áreas afins, principalmente no estudo da absorção de fótons por superfícies de diferentes cores e características.

## Materiais e Métodos

## Sujeitos da Pesquisa

Para analisar como uma superfície metálica com diferentes cores absorvem ou emitem radiação térmica, utilizamos como recurso didático um experimento envolvendo retroprojetor (opcional), quatro latas de alumínio de tamanhos iguais (preta, vermelha, branca e uma revestida de papel alumínio), sensor de temperatura (DS18B20) conectado a uma placa Arduino Nano, lâmpada incandescente (100W). A lista de materiais está descrita a seguir. O experimento foi testado e aplicado em uma turma da segunda série do ensino médio, 28 estudantes, abordando o conteúdo 'Fenômenos Ondulatórios'.

## Materiais Utilizados:

- ● 4 latas de alumínio (1 vermelha, 1 branca, 1 preta, 1 revestida com papel alumínio)
- ● 1 caixa de papelão revestida com papel alumínio
- ● 1 lâmpada incandescente
- ● 1 soquete E27 para lâmpada
- ● 1 Arduino Nano
- ● 4 sensores de temperatura DS18B20
- ● 4 resistores
- ● 1 display LCD I2C
- ● 1 placa ilhada de fenolite
- ● 1 fonte DC de 5V (fonte de celular)
- ● 1 estrutura de suporte confeccionada com palitos de picolé e garrafa PET

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## Montagem do Experimento:

As latas foram pintadas com uma cor distinta (vermelha, branca e preta), e uma delas foi revestida com papel alumínio para maximizar a reflexão da radiação.

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Figura 01: Interior da caixa revestida de papel alumínio e latas devidamente posicionadas. Ao lado temos o suporte e a lâmpada incadescente.

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Montagem da caixa e suporte da lâmpada: A caixa de papelão foi revestida internamente com papel alumínio, o soquete e a lâmpada incandescente foram instalados em um suporte de madeira. Ao ser posicionada em um furo no topo da caixa e ligada, a lâmpada emite radiação visível e infravermelha, incidindo diretamente sobre as latas posicionadas dentro da caixa de papelão revestida internamente com papel alumínio, de forma a minimizar a dispersão de radiação.

Sistema de medição de temperatura: Cada lata foi equipada com um sensor de temperatura DS18B20, ligados ao Arduino Nano. O microcontrolador foi programado para monitorar as temperaturas em tempo real e exibi-las em um display LCD.

## Configuração e Funcionamento do Arduino:

O Arduino Nano foi programado para capturar e exibir as temperaturas medidas pelos quatro sensores DS18B20 em um display LCD. A seguir temos o esquema de ligação.

Figura 02: Circuito simples para funcionamento do medidor de temperatura.

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A programação inclui a definição do protocolo de comunicação com os sensores e a calibração necessária para garantir a exatidão das medições. A seguir, apresenta-se o código utilizado:

// LiquidCrystal I2C #include &lt;LiquidCrystal\_I2C.h&gt; #include &lt;DallasTemperature.h&gt; #define DS1 9 OneWire oneWire(DS1); DallasTemperature sensortemp(&amp;oneWire); LiquidCrystal\_I2C lcd (0x27, 20, 4); // Endereço dos sensores DS18B20 -uint8\_t sensor1[8] = {0x28, 0xFF, 0x64, 0x1E, 0x0D, 0x97, 0xB0, 0xE4}; uint8\_t sensor2[8] = {0x28, 0xFF, 0x64, 0x1E, 0x5B, 0xB3, 0x40, 0xC0}; uint8\_t sensor3[8] = {0x28, 0xFF, 0x64, 0x1E, 0x0D, 0x93, 0x7F, 0x54}; uint8\_t sensor4[8] = {0x28, 0xCE, 0xEF, 0x49, 0xF6, 0x4E, 0x3C, 0x52}; void setup() { sensortemp.begin(); lcd.init(); lcd.backlight(); Serial.begin(9600); } void loop() { lcd.clear(); sensortemp.requestTemperatures(); Serial.print("Sensor 1: "); valortemperatura(sensor1); Serial.print("Sensor 2: "); valortemperatura(sensor2); Serial.print("Sensor 3: "); valortemperatura(sensor3); Serial.print("Sensor 4: "); valortemperatura(sensor4); lcd.setCursor(11,0); valortemperatura(sensor1); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Vermelha: ");

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lcd.setCursor(11,1);

valortemperatura(sensor2);

lcd.setCursor(0,2);

lcd.print("Branca: ");

lcd.setCursor(11,2);

valortemperatura(sensor3);

lcd.setCursor(0,3);

lcd.print("Reflexiva: ");

lcd.setCursor(11,3);

valortemperatura(sensor4);

Serial.println();

delay(2000);

lcd.setCursor(11,0);

lcd.print(" ");

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print(" ");

lcd.setCursor(11,2);

lcd.print(" ");

lcd.setCursor(11,3);

lcd.print(" ");

}

void valortemperatura(DeviceAddress deviceAddress)

{

float grausC = sensortemp.getTempC(deviceAddress);

lcd.print(grausC,0);

Serial.print(grausC,0);

Serial.println("ºC");

}

Este código permite que o Arduino monitore as temperaturas das latas em tempo real, exibindo-as continuamente no display LCD, o que facilita o acompanhamento durante o experimento. Após a programação do nano, foi realizada a solda dos componentes na placa de fenolite e finalização do projeto com uma estrutura de PET com palito de picolé para melhor manuseio do equipamento, como mostra a Figura 03.

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Figura 03: Medidor de temperatura composto por 4 sensores DS18B20, Arduino nano, display LCD I2C, placa de fenolite, resistores e fonte 5 V.

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## Medidas de temperatura em função do tempo

Em sala de aula, na disciplina de Física, conteúdo fenômenos ondulatórios, para uma turma de 28 alunos da segunda série do ensino médio, foi realizado o teste e observação dos valores de temperatura para cada lata com o passar do tempo. Entretanto para uma melhor experiência, sugerimos o procedimento a seguir:

- ● Ligar a lâmpada incandescente colocada próxima às latas de maneira simétrica, ou seja, no meio da caixa entre as lâmpadas;
- ● Em uma tabela, anotar a temperatura em cada lata a cada minuto até que a temperatura se estabilize;
- ● Desligar a lâmpada por 2 minutos e acenda novamente;
- ● Continue anotar os valores até estabilizar a temperatura;
- ● Com os dados esboçar o gráfico de Temperatura x Tempo;
- ● Você terá os conjuntos de valores relacionados à absorção (aquecimento das latas), um gráfico para cada lata;
- ● Discutir sobre os resultados obtidos.

## Resultados e discussão

Na sala de aula, solicitamos aos alunos que anotassem seus dados em uma tabela. Em seguida, eles fizeram o gráfico de Temperatura em função do Tempo e obtiveram a taxa de variação da temperatura para as quatro latas e fizeram comparações. A Figura 04 mostra o resultado obtido, o gráfico foi esboçado e os valores de temperatura são um fragmento da medição total.

A lata pintada de preto, reconhecida por sua alta capacidade de absorver radiação, apresentou o maior aumento de temperatura, seguido pela lata vermelha, enquanto a lata branca registrou menor elevação de temperatura. Em contraste, a lata revestida com papel alumínio, devido à sua alta refletividade, mostrou a menor variação de temperatura, confirmando que o material reflete maior parte da radiação.

Entretanto, durante a execução do experimento, foi observado um erro em uma das medições. Em um dos testes, o sensor de temperatura não foi inserido corretamente na lata preta, resultando em uma leitura de temperatura inferior à da lata vermelha, um resultado que não corresponde ao comportamento esperado.

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Esse incidente destaca a importância da precisão na montagem e na execução do experimento, evidenciando como pequenos erros na configuração podem comprometer a acurácia dos resultados.

Figura 04: Recorte de valores obtidos durante aquecimento e resfriamento das latas e gráfico completo esboçado pelo google planilhas. Os valores foram extraídos da própria IDE do arduino e transferidos para a tabela.

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Além da lâmpada incandescente, o experimento foi repetido utilizando uma lâmpada que emite radiação infravermelha e uma lâmpada de LED. Como esperado, a radiação infravermelha resultou em um aquecimento mais significativo das latas, especialmente na lata preta. Isso ocorre porque a radiação infravermelha possui um comprimento de onda maior do que a luz visível, e sua energia é mais eficientemente absorvida pelas superfícies, convertendo-se em energia térmica de maneira mais intensa. Tal observação reforça o papel da radiação infravermelha como um agente térmico mais eficaz em comparação à luz visível emitida pela lâmpada incandescente. A lâmpada de LED não foi capaz de aquecer as latas de maneira significativa pois seus comprimentos de onda emitidos estão em sua maioria na faixa da luz visível e não tem a propriedade de aquecer de maneira significativa os materiais como a radiação infravermelha emitida tanto na lâmpada incandescente quanto na infravermelha.

Figura 05: O display LCD apresenta os valores de temperatura de cada lata após alguns minutos de funcionamento.

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Esses resultados não apenas validam as teorias físicas sobre absorção de radiação, mas também sublinham a relevância de uma execução meticulosa do experimento, bem como a eficácia da utilização de radiação infravermelha em contextos onde o aumento de temperatura é desejado. Além disso, o experimento pode ser uma oportunidade de ensinar a diferença e as propriedades das ondas eletromagnéticas em seus diferentes comprimentos.

## Conclusão

Este experimento apresentou como a cor de uma superfície influencia diretamente sua capacidade de absorver radiação e, consequentemente, elevar sua temperatura. O uso de uma lâmpada incandescente permitiu a observação dos efeitos da radiação visível e infravermelha sobre diferentes superfícies. A implementação do Arduino Nano e dos sensores de temperatura DS18B20 possibilitou a obtenção de medições das temperaturas, demonstrando a viabilidade de integrar tecnologias em experimentos educacionais.

Os resultados reforçam a importância da cor e do material na absorção de radiação, com implicações práticas que vão desde a engenharia até a arquitetura, além de ser uma ferramenta para o ensino de Física. As superfícies escuras, como a lata preta, são particularmente mais eficientes na absorção de radiação, enquanto materiais refletivos, como o papel alumínio, demonstram uma menor capacidade de aquecimento devido à menor absorção. Este experimento pode ser expandido para investigar outros materiais ou diferentes condições de iluminação, oferecendo um amplo campo de pesquisa em física aplicada assim como na área de ensino.

## Referências

da Rosa, C. T. W., Rosa, Álvaro B. da, Trentin, M. A., &amp; Giacomelli, A. C. (2016). Experimento de condução térmica com e sem uso de sensores e Arduino. Caderno Brasileiro De Ensino De Física, 33(1), 292-305. https://doi.org/10.5007/2175-7941.2016v33n1p292

Jesus, Thiago Auer Camilo De; Ferracioli, Laercio. Uso de dataloggers para medir umidade relativa do ar e temperatura: uma proposta para o ensino de Física. disponível em:

https://www.even3.com.br/anais/ecfa/642940-uso-de-dataloggers-para-medir-umida de-relativa-do-ar-e-temperatura--uma-proposta-para-o-ensino-de-fisica

Menelli, W.; Nascimento, J. O.; Passamai Junior, J. L. et al. Abordagem experimental paraensino médio sobre o princípio da dualidade onda-partícula da luz. Experiências em Ensino De Ciências (UFRGS). v.18, p.683 - 701, 2023.

Passos, C. A. C. Experimentos baseados em Arduino como ferramenta para o ensino de física. Experiências em Ensino De Ciências (UFRGS). v.18, p.747 764, 2023.

Scarinci, A. L., &amp; Marineli, F.. (2014). O modelo ondulatório da luz como ferramenta para explicar as causas da cor. Revista Brasileira De Ensino De Física, 36(1), 1309. https://doi.org/10.1590/S1806-11172014000100009

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