Reflexões sobre visões da Termodinâmica do equilíbrio e do não equilíbrio no ensino médio

## Reflexões sobre visões da termodinâmica do equilíbrio e do não equilíbrio no ensino médio.

## Reflections on visions of equilibrium thermodynamics and nonequilibrium in high school

Djalma Nunes da Silva , Jesuína Lopes de Almeida Pacca 1 2

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Instituto de física, universidade de São Paulo.djalmaparana@usp.br, 2 Instituto de física, universidade de São Paulo. jepacca@if.usp.br

## Introdução

Este trabalho pretende oferecer subsídios para reflexões sobre as ideias dos estudantes do ensino médio e as da Termodinâmica. Procura-se com isso responder à pergunta: De que maneira, um posicionamento crítico com relação à história da Termodinâmica pode contribuir para o acesso, de forma significativa, ao conhecimento científico, por parte dos alunos do ensino médio?

De acordo com Edgar Morin (1998), no núcleo de toda teoria científica há paradigmas que a ligam à cultura da qual é originária e à história na qual nasce e ganha consistência. Por isso, não se pode esquecer que parte das descobertas da ciência teve como base experiências cotidianas, muitas delas, de pessoas comuns, não cientistas.

No contexto escolar, da mesma forma, (re)conhecer a existência, entre alunos, de formas singulares de compreensão do mundo que se distanciam do conhecimento científico pode permitir a emergência de planejamentos que permitam uma prática pedagógica que leve à melhoria qualitativa do acesso ao novo conhecimento.

Entretanto, embora essa prática possa ser dirigida por um plano estabelecido a priori, os resultados do ensino não podem ser previstos ou antecipados antes de sua realização. Por isso, deve-se entender o planejamento como estratégia e não como um programa de ensino (MORIN 1996)

A estratégia compõe cenários de ação que podem se modificar em função de novas informações e imprevistos que emergem no curso das ações. Assim sendo, à medida que os estudantes operam com seus conhecimentos que são distintos do conhecimento científico torna-se necessário uma estratégia de interações possíveis e desejáveis entre esses dois sistemas de conhecimentos (Orlando, 2002).

## Considerações sobre visões da termodinâmica

No livro A nova Aliança , Prigogine e Stengers (1994) descrevem uma nova visão da ciência como um diálogo entre o cientista e a natureza em que se procura conhecer as situações de estabilidade e instabilidade, normalmente deixadas de lado pelos cientistas clássicos. Um exemplo, na física, de contribuição para o surgimento dessa nova visão de mundo situa-se na história da termodinâmica.

A Termodinâmica, iniciada em 1824 com o trabalho de Carnot, afirma que a produção de 'energia mecânica' nas máquinas térmicas ocorre através de um fluxo inalterado de calor entre uma fonte quente e outra fria. O calor é, portanto, considerado como um fluido ( o calórico ) cuja quantidade é conservada através de todas as transformações que provoca.

As inconsistências no trabalho de Carnot relacionadas à concepção de calor como fluido levou Clausius a ampliar e reformular o seu conteúdo, utilizando para isso, as ideias a respeito da conservação da energia. Estabeleceu uma relação entre o fluxo de calor entre as duas fontes e a transformação de calor em trabalho, cujos efeitos se compensam do ponto de vista do estado físico-químico do sistema (Silva, 2009).

Ao refletir sobre a relação entre o trabalho produzido e o calor que é preciso dar ao sistema, Clausius encontrou os indícios fundamentais para o estabelecimento da nova forma de ver da termodinâmica.

Em 1865, ao retomar as discussões sobre seu trabalho, Clausius utilizou uma nova linguagem ao estabelecer um conceito que ele denominou entropia , uma função de estado que exprime a distinção entre os fluxos úteis e os fluxos dissipados, ou seja, aqueles que uma inversão de funcionamento da máquina térmica não poderiam ser reconduzidos à fonte quente.

Entretanto, a visão de Clausius negligencia o processo pelo qual a combustão química libera calor, da mesma maneira que um construtor de máquina simples ignora de onde vem o vento, a energia dos animais ou a água dos rios. Isso afasta a termodinâmica clássica dos processos complexos que ocorrem sobre a superfície da Terra, tornando-se necessário um olhar mais abrangente que leve em conta tal complexidade (Prigogine e Stengers 1994).

## Visões dos alunos

O acompanhamento do desenvolvimento histórico da termodinâmica permitiu que encontrássemos em Carnot (1824) e em Clausius (1976) fundamentos que privilegiam situações diferentes quanto ao equilíbrio de sistemas termodinâmicos que são caracterizados e focalizados; a teoria da complexidade baseada em propostas de Prigogine e Stengers (1994), também traz luz à interpretação de modelos espontâneo-alternativos. Aliados a isso se procura interpretar as concepções exibidas pelos alunos dando-lhes status de modelos descritivos de uma fenomenologia da termodinâmica. Um quadro de ideias dos alunos já fora obtido através de respostas a questionários (Silva 2009) analisadas com base em metodologias de análise de conteúdo.

A investigação efetuada por Silva (2009) partiu da apresentação de três questões abertas sobre fenômenos termodinâmicos a trinta alunos. Vinte do terceiro ano do ensino médio de uma escola federal na cidade de Cubatão, no interior de são Paulo e dez do primeiro ano de curso superior de licenciatura em Física de uma faculdade particular da cidade de São Paulo.

A análise das respostas nos permitiu organizar um quadro de ideias em que foi possível verificar: 1- a ausência de considerações sobre as interações entre o sistema e o ambiente e entre as partes constituintes do sistema; 2noções de irreversibilidade fortemente influenciadas por concepções oriundas da mecânica clássica.

## Conclusões

O século XIX legou-nos uma herança conflituosa. De um lado as leis deterministas da natureza de outro, a entropia. A termodinâmica nos proporcionou uma imagem inteiramente diferente do mundo. Ao lado das leis reversíveis da dinâmica newtoniana passaram a existir leis irreversíveis que encontramos no fluxo do calor, nos fenômenos de transporte, na química, na biologia, nas quais o passado e o futuro podem desempenhar papéis diferentes. Diante disso é preciso repensar as leis da natureza de forma a aproximá-las de questões que dizem respeito a situações que envolvem a complexidade dos fenômenos existentes, por exemplo, na atmosfera da Terra.

O quadro de ideias dos alunos apresentado no trabalho de Silva (2009) revela concepções que se aproximam da termodinâmica do não equilíbrio ao apresentar noção de sistema distanciada da Termodinâmica clássica, na medida em que a questão de fronteira está totalmente ausente de suas respostas. Por outro lado, as noções de irreversibilidade estão fortemente influenciadas por concepções oriundas da mecânica clássica, o que pode comprometer a compreensão da segunda lei da Termodinâmica, especialmente quando se pretende apresentar o conceito de entropia. Essas constatações nos leva à hipótese de que o ensino-aprendizagem da Termodinâmica talvez se torne mais significativa abordando-se inicialmente o não equilíbrio, em que, um posicionamento crítico frente à concepção mecanicista do mundo e sua inadequação para o estudo dos fenômenos complexos possam fornecer uma abertura possível para a aprendizagem significativa do conteúdo em questão.

## Bibliografia

PRIGOGINE, I., STENGERS, I ., A nova aliança: a metamorfose da ciência . Editora universidade de Brasília, 1994. PRIGOGINE, I. In : PESSIS-PASTERNACK, Guita. Do caos à inteligência artificial: quando os cientistas se interrogam . São Paulo, Ed. UNESP, 1993. CARNOT, S. Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propes d developer cette puissance. Bachelier, Paris, 1824. CLAUSIUS, R. On the application of the teorem of the equivalence of transformations to the internal work of mass of matter. The second Law of Thermodynamics. Benchmark papers on energy. Vol. 5 Dowden, Hutchinson & Ross, Inc. 1976. MORIN, E. O Método 4. As ideias. Habitat, vida, costumes, organização. Tradução Juremir Machado da Silva. Porto Alegre: Sulina,1998. MORIN, E. O problema epistemológico da complexidade. Lisboa: EuropaAmérica 1996. ORLANDO A. Jr . Planejar o ensino considerando a perspectiva da aprendizagem: uma análise de abordagens didáticas na introdução à física térmica . Cad.Bras.Ens.Fís ., v.19, n.2: p.219-241, ago. 2002. SILVA, D. N. A Termodinâmica no Ensino Médio: Ênfase nos processos São Paulo. Dissertação de mestrado apresentada no Instituto de

irreversíveis. Física/ Faculdade de Educação da USP, 2009.