"QUENTE E FRIO", "CALÓRICO" E "ENERGIA" TRÊS VISÕES DISTINTAS SOBRE CALOR

## 'QUENTE E FRIO', 'CALÓRICO' E 'ENERGIA'. TR˚S VISÕES DISTINTAS SOBRE CALOR

## 'HOT AND COLD', 'CALORIC' AND 'ENERGY' THREE DIFFERENT VIEWS ON HEAT

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

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

## Resumo

Este trabalho parte da ideia de que para ocorrer significativo avanço na compreensªo das leis da termodinâmica pelos estudantes Ø necessÆrio promover discussıes sobre as diversas concepçıes de calor. As controvØrsias ocorridas em diversas etapas históricas sobre essa entidade, se levadas ao conhecimento dos estudantes, podem possibilitar a compreensªo da importância de se refletir sobre o que 'precede a palavra calor' quando se pretende ter uma ideia consistente de seu significado. É nessa direçªo que este artigo aponta, ao procurar responder à questªo: Como possibilitar, no ensino mØdio, a compreensªo de diferentes concepçıes de calor antes da apresentaçªo das leis da termodinâmica? Para isso, apresenta subsídios para elaboraçªo de estratØgias que tocam em pontos essenciais que levaram os cientistas a novas atitudes frente a situaçıes nas quais concepçıes aceitas sobre calor revelaram-se inadequadas. Para isso selecionou-se duas pesquisas didÆticas: uma que evidencia a persistŒncia da ideia de calor como 'quente e frio' entre estudantes do ensino mØdio e do nível superior que jÆ passaram pelo ensino formal da termodinâmica e outra que coloca os estudantes diante de textos científicos que exploram momentos de reflexıes de cientistas sobre a insustentabilidade da concepçªo de calor como 'calórico'. A partir daí, acrescentando fragmentos de trabalhos originais de Carnot e Clausius, propıem-se atividades que confrontam trŒs diferentes concepçıes: a de 'Quente e Frio' dos estudantes, a de 'calórico' em Carnot e a de Clausius ao utilizar a ideia de 'Conservaçªo da Energia'. Com isso pretende-se despertar, nos estudantes, a percepçªo de que suas concepçıes baseadas em sensaçıes bem como ideias 'substancialistas' precisam ser redimensionadas para que compreendam as leis da termodinâmica elaboradas por Clausius.

Palavras-chave : ensino da termodinâmica; calórico; energia.

## Abstract

This work starts form the idea that occurs to a significant advance in understanding the laws of thermodynamics by students is necessary to promote discussions on the different conceptions of heat. The controversy occurred in different historical stages of the entity, if brought to the attention of students, can gain a better understanding of the importance of reflecting on what 'precedes the word heat' when you want to have a consistent idea of its meaning. It is this direction that this paper points out, to try to answer the question: How to enable, in high school, understanding of different conceptions of heat before the presentation of the laws of thermodynamics? For this, presents grants to develop strategies that touch on key points that lead scientists to new attitudes toward situations in which accepted conceptions about heat proved to be inadequate. For this we selected two educational research: one that reflects the persistence of the idea of heat as 'hot and cold' between high school students an higher education that have gone through the formal teaching of thermodynamics and one that puts students on texts scientific discussions that explore moments of scientists about the unsustainability of the conception of heat as 'caloric'. From there, adding fragments of original works of Carnot and Clausius, propose activities that confront three different concepts: that of 'hot and cold' of students, the 'caloric' in Carnot and Clausius to the use of the idea 'conservation of energy'. This is intended to awaken in students the perception that their views based on sensations and ideas 'substancialist' need to be reworked to understanding the laws of thermodynamics developed by Clausius.

Keywords : teaching of thermodynamics; Caloric; energy.

## Introduçªo

Qual o papel da escola na contemporaneidade? Por que e para que os estudantes devem ser direcionados para ela? O que se pretende que eles façam após completarem seus níveis de escolaridade? Dentre essas e muitas outras perguntas que poderªo ser feitas a respeito desse importante espaço, esse artigo selecionou uma resposta que se insere na esfera dos conhecimentos de física: ela deve ser um lugar onde os estudantes possam debater e refletir sobre diferentes concepçıes: as suas, as dos cientistas em diferentes etapas históricas, de como esses cientistas construíram o arcabouço teórico da ciŒncia e quais suas implicaçıes na transformaçªo da sociedade. Instados a confrontarem ideias diversificadas, talvez surjam, nos estudantes, vínculos que possibilitem a compreensªo de como a física explica os fenômenos que focaliza. Dessa forma, essa disciplina poderÆ dar sua parcela de contribuiçªo para a transformaçªo do sujeito que, no final do processo, efetuando de forma consciente suas escolhas possa ser membro de uma sociedade que se pretende dinâmica, saudÆvel e tolerante.

No prefÆcio do seu livro 'Introduçªo ao pensamento complexo', Edgard Morin (1990), afirma que estamos sempre pedindo ao pensamento que dissipe as brumas, que ponha ordem e clareza no real. E que o conhecimento científico, foi

durante muito tempo e atualmente continua sendo entendido como tendo por missªo dissipar a aparente complexidade dos fenômenos para que surja a ordem simples a que eles obedecem.

No mesmo prefÆcio Morin aponta que modos simplificadores do conhecimento, muitas vezes, mutilam mais do que elucidam os fenômenos de que tratam. Para que se chegue a uma elucidaçªo mais ampla Ø necessÆrio que se introduza elementos que foram deixados de lado durante o processo investigativo tradicional da ciŒncia.

Entretanto, Morin chama a atençªo para o perigo das interpretaçıes erradas sobre pensamento complexo alertando que suas colocaçıes nªo implicam na eliminaçªo da simplicidade. A complexidade integra em si tudo que pıe ordem, clareza, distinçªo e precisªo no conhecimento. Enquanto o pensamento simplificador desintegra a complexidade do real, o pensamento complexo integra o mais possível os modos simplificadores de pensar. Mas recusa as consequŒncias mutiladoras, unidimensionais e ofuscantes de uma simplificaçªo que se considera reflexo do que hÆ de real na realidade.

Este trabalho, tomando como ponto de partida as colocaçıes de Morin sobre o fato de que a complexidade integra os modos simplificadores do pensar, se volta ao ensino da Termodinâmica inserindo-a nessa categoria, mas privilegiando os pontos que a fizeram emergir como uma teoria consistente sobre fenômenos em que a concepçªo de calor ocupa uma posiçªo central.

A ciŒncia opera com ideias chamadas conceitos que reœnem uma grande quantidade de experiŒncias. O conceito precede a palavra. Esse trabalho pretende evidenciar que por trÆs das experiŒncias humanas descritas como quente, frio, calor transferido, energia radiante, etc., algumas perguntas sªo essenciais para o nosso trabalho: 'o que Ø essa coisa chamada calor?', 'Qual o seu significado'? 'Pode ser medido em litros, como Ægua'? 'É movimento'? 'É um nœmero'?

Sabe-se que no ensino de física geralmente o tratamento dos fenômenos tØrmicos na maior parte dos cursos recebe o nome de Termologia. Esse tratamento apresenta abordagens fenomenológicas que nªo tornam relevantes os pontos de vista dos alunos, das diversas visıes de diferentes cientistas em diferentes Øpocas e nªo sªo feitas confrontaçıes entre essas diferentes visıes.

Essa forma de ensinar leva a uma concepçªo de ciŒncia como um produto acabado, de um espaço que requer respostas seguras e rÆpidas, onde nªo Ø proporcionada uma anÆlise do como e do por que tais conhecimentos foram construídos. Isso nªo produz a transformaçªo necessÆria do sistema cognitivo do estudante que continua utilizando o modelo do senso comum ao ser solicitado para dar explicaçıes em situaçıes que requer embasamento de conhecimentos da física em suas respostas. Mas como fazer isso?

A nossa pista para responder a essa pergunta estÆ na busca dos estruturantes, utilizando a terminologia de Kuhn (2000), que podem ser determinados a partir da anÆlise das teorias científicas em suas diversas etapas históricas.

Sendo assim, pressupıe-se uma concepçªo epistemológica que vŒ o desenvolvimento da ciŒncia como resultado de transformaçıes estruturais profundas (Kuhn 2000), que nªo somente mudam as teorias, como 'determinam novos

observÆveis'. A realidade a analisar evidencia mudanças conceituais e novos fenômenos sªo levados em consideraçªo.

Acreditamos que o nosso objetivo de fazer o levantamento dos estruturantes (sublinhados nos dois próximos itens), pode se constituir numa forma de permitir a superaçªo de barreiras que obstaculizam a compreensªo das diferenças entre diversos sistemas explicativos. Mas para isso Ø preciso reduzir os temas a ensinar para permitir que se dedique mais tempo ao desenvolvimento da capacidade de raciocínio dos alunos (Gagliardi 1986).

## Elementos históricos: Carnot, e Clausius

Os relatos a seguir foram baseados em trabalhos originais de Carnot (1987) e Clausius (1888), traduzidos respectivamente para o espanhol e francŒs, complementados por anÆlises de Fox (1978), Brush (2003), e Kuhn (2000 e 2011). Eles se relacionam com a atividade que serÆ proposta posteriormente neste trabalho.

Sadi Carnot em seu trabalho 'Reflexions sur la puissance motrice de feu' no início do sØculo XIX, forneceu a base do desenvolvimento da termodinâmica. Partindo de estudos realizados por cientistas da Inglaterra sobre aperfeiçoamentos das mÆquinas tØrmicas, afirmou que tais estudos partiam de tentativas intuitivas, com forte componente de acaso apresentando falhas que precisavam ser sanadas, levando-o a focalizar sua atençªo na busca de respostas às perguntas: 1'seria a potŒncia motriz do calor ilimitada ou haveria um limite para ela?' 2 -'existiriam agentes preferíveis ao vapor d'Ægua para a produçªo da força motriz do calor?'. Isso o levou a estabelecer o princípio de que a 'produçªo da potŒncia motriz Ø decorrŒncia do transporte inalterado do calórico de um corpo quente a um corpo frio'.

O trabalho de Carnot revela o papel que a analogia teve na estruturaçªo do seu raciocínio. Para ele, o calor Ø uma substância que fluía de forma inalterada atravØs do motor, entre as fontes quentes e frias tal como Ægua que cai entre dois níveis diferentes, fazendo mover um moinho, como Ø evidenciado na passagem:

'(...) poderemos comparar, com suficiente precisªo, a potŒncia motriz do calor à de uma queda d' Ægua. Cada umas delas tem um mÆximo que nªo podemos exceder, qualquer que seja, por um lado, a mÆquina em que atua, e qualquer que seja, por outro lado, a substância em que o calor atua. A potŒncia motriz de uma queda d'Ægua depende se sua altura e da quantidade de líquido. A potŒncia motriz do calor depende da quantidade de calórico usado e do que podemos chamar de altura de sua queda. Isto Ø, da diferença de temperatura dos corpos entre os quais a troca de calor Ø efetuada.'(Carnot, p. 49, 1987, traduçªo nossa)

Foi justamente essa analogia que se apresentou como novidade em sua teoria. A potŒncia motriz dependia apenas da quantidade de 'calórico' utilizado e da diferença de temperatura entre as quedas. A concepçªo de calórico que usou jÆ fora estabelecida desde Lavoisier e era adotada por grande nœmero de físicos e químicos da Øpoca. A novidade surpreendeu a comunidade científica, pois durante 100 anos, o aperfeiçoamento das mÆquinas era procurado em substâncias que deveriam ser colocadas no motor, no desenho de suas peças ou em elementos que Carnot provou serem irrelevantes.

Entretanto a concepçªo de calor como calórico jÆ vinha sofrendo intensas críticas nesse período. Clausius, fundamentado em resultados de experimentos de sØrios investigadores como Rumford e Joule, teceu consideraçıes sobre a insustentabilidade dessa concepçªo, como pode ser visto na passagem:

'A opiniªo mais difundida sobre a natureza do calor Ø a de olhar para ele como uma substância em particular encontrada nos corpos em quantidades maiores ou menores e Ø por essa razªo que sua temperatura pode ser determinada como mais ou menos elevada e essa substância Ø tambØm emitida pelos corpos e, em seguida, atravessa espaços vazios com uma grande velocidade e que Ø denominado de calor radiante.

Mas, em tempos modernos, outra opiniªo tambØm surgiu: a de que calor Ø um movimento. Nesta visªo, o calor se encontra no corpo o que determina sua temperatura relaciona-se com o movimento de Ætomos ponderÆveis que o movimento do Øter contido no corpo tambØm pode tomar parte, sendo o calor radiante apontado como um movimento vibratório do Øter'. (Clausius, p. 28 e 29, 1888, traduçªo nossa)

Os tempos modernos citados por Clausius levou-o a estabelecer novas bases da termodinâmica a partir conservaçªo da energia. Introduzindo os trŒs tipos de transformaçıes, a de calor em trabalho, de calor de uma temperatura à de outra temperatura e da desagregaçªo dos componentes internos do corpo, nªo só chegou à expressªo matemÆtica da primeira lei, como tambØm ao conceito de entropia, atravØs de um longo processo que lhe consumiu vÆrios anos de trabalho.

## As concepçıes dos estudantes e dos cientistas sobre a natureza do calor

Astolfi & Develay (1991) afirmam que o conceito de calor, inclusive na atualidade, sempre teve um duplo estatuto: 1CalorimØtrico , que apresenta uma abordagem experimental dirigindo-se rapidamente às medidas e se utilizando de uma concepçªo de calor como uma substância, o 'calórico' e 2 EnergØtico mais voltado à pesquisa de novas causas, dependente de um encaminhamento modelizador, no qual se introduz resultados de experiŒncias.

Para muitos problemas, a assimilaçªo do calor como substância (calórico) continua eficaz. Mas, em contrapartida, essa visªo impede que se compreenda a equivalŒncia entre o calor e trabalho mecânico, dificultando a compreensªo das leis da termodinâmica. Portanto, quando se pretende abordar tais leis Ø preciso que se introduzam questıes relativas à natureza do calor para que os estudantes, ao conhecerem as diferentes concepçıes, tenham acesso de forma significativa à formalizaçªo dessas leis. Das muitas pesquisas educacionais realizadas sobre as concepçıes dos estudantes sobre termodinâmica cada uma delas percorrendo diferentes caminhos, destacaremos, sem pretensªo de esgotar o assunto, duas delas: de Silva(2009) e de Nascimento (2003).

Utilizando uma linha de investigaçªo voltada ao levantamento das ideias dos estudantes que jÆ tinham tido acesso ao conhecimento formal das leis da termodinâmica Silva (2009), atravØs da anÆlise de conteœdo das respostas dadas a questıes abertas, organizou um quadro de ideias de onde retiramos uma que nos interessa para esse trabalho: a ideia de 'quente' como oposiçªo ao 'frio'.

Em seu trabalho, Silva aponta que as ideias da física desenvolvidas e apresentadas por estudantes que jÆ passaram pelo estudo formal das leis da termodinâmica, continuam com a concepçªo de calor como ligado às sensaçıes de 'quente' e 'frio' quando respondem perguntas relacionadas às leis da termodinâmica.

Das muitas respostas dadas pelos sujeitos de pesquisa à pergunta: ' Temos duas canecas com Ægua atØ a metade; numa delas a temperatura da Ægua Ø de 10 C e na outra Ø de 30 C. As quantidades de Ægua sªo misturadas numa das o o canecas e a temperatura da mistura fica num valor intermediÆrio. Como fazer para que os líquidos voltem a ficar separados e com as mesmas temperaturas iniciais?' , 1 destacamos a mostrada a seguir:

'Coloca metade em outra caneca e deixa uma delas num ambiente a 10 C e o aquece a segunda, com ajuda de um termômetro, atØ os 30 C'. o (Silva, p. 80, 2009)

Nessa resposta, ao citar um ambiente a 10 C o aluno considera, que esse o ambiente, de uma maneira oposta ao que ocorrerÆ com a outra parte que 'deverÆ ser aquecida atØ 30 C', provocarÆ o esfriamento da Ægua como se 'frio' fosse 0 transferido para ela. Isso revela diferentemente da física, que calor e frio sªo entidades diferentes e associadas ao ambiente, comprometendo o sentido dos fluxos entre o ambiente e o sistema. Percebe-se, alØm disso, o aspecto substancialista, significando que frio e calor podem entrar, sair ou serem retirados dos objetos.

A ideia substancialista de calor apresentada pelos estudantes no trabalho de Silva (2009), foi categorizada como próxima da utilizada por muitos cientistas da corrente calorimØtrica como apontaram Astolfi & Develay (1991), podendo ser utilizada no tratamento de muitos fenômenos da termodinâmica. JÆ a ideia de 'quente' e 'frio' como entidades diferentes revela um raciocínio baseado em sensaçıes, o que leva os estudantes a considerar o equilíbrio tØrmico como ausŒncia de sensaçıes. A partir desse referencial, quando o frio e o calor sªo colocados em contato, segundo eles, o frio 'esfria' o quente e o 'quente' esquenta o frio. Consideraçıes como essas precisam ser ativadas para que os estudantes possam confrontÆ-las com as diversas concepçıes da ciŒncia sobre a mesma entidade.

A concepçªo substancialista, como jÆ vimos, foi utilizada por Carnot em seu estudo sobre as mÆquinas tØrmicas. Posteriormente, entretanto, Clausius utilizou outra concepçªo, partindo de ideias de transformaçªo e equivalŒncia, ancoradas na conservaçªo da energia, que o levou à formulaçªo das leis da Termodinâmica.

- O trabalho de Silva (2009) revela a persistŒncia de concepçıes do senso comum na maioria dos estudantes que jÆ avançaram no estudo do assunto e jÆ tiveram contato com as leis da termodinâmica.

Essa conclusªo evidencia a necessidade de confrontar os trŒs conceitos: de quente como oposto do frio, de calórico e de energia. Sem essa confrontaçªo compromete-se a compreensªo dessas leis. Isso nos leva à hipótese de que Ø

necessÆrio ativar formas de se discutir questıes relativas à natureza do calor antes que essas leis sejam apresentadas aos estudantes.

Utilizando uma linha de pesquisa centrada na ideia de enculturaçªo científica, Nascimento (2003) apresenta objetivos metodológicos que se relacionam com os do nosso trabalho ao estabelecer que a história da ciŒncia possibilite elaboraçªo de atividades de investigaçªo. Essas atividades promovem discussıes e argumentaçıes a partir de textos científicos entre os estudantes e entre estes e o professor. O professor formula questıes que devem ser respondidas em pequenos grupos para serem discutidos posteriormente por toda a sala.

A mediaçªo do professor Ø fundamental, pois conduz as argumentaçıes dos alunos direcionando-as para pontos fundamentais que possibilitam o afloramento das diferenças entre as diversas concepçıes e evidenciam a necessidade de se estabelecer novas formas de se pensar na ciŒncia.

Um exemplo extraído de um dos episódios relatados por Nascimento Ø aquele em que os alunos ao indagarem se calor Ø ou nªo uma substância, um deles, ao se referir às dœvidas de Rumford diz:

'As dœvidas que ele teve e a dœvida de como o trabalho dele mostra, leva ele a discordar... Ø que se o calor Ø uma substância, porque ele pode ser gerado por corpos frios, atravØs do atrito? Ele nªo precisa de um material quente para existir.' Nascimento, p. 101, 2003) (

- O fragmento revela pontos necessÆrios para encaminhamentos de forma de ver o que estÆ por trÆs 'das aparŒncias' . Isso Ø algo fundamental para compreensªo dos conceitos científicos.

Esse trabalho propıe outro caminho: o que integra a proposta de Nascimento e o trabalho de Silva, exemplificado nas atividades cujos aspectos essenciais serªo explicitados a seguir.

## A transposiçªo para o contexto escolar

Neste item apontamos os aspectos essenciais de um processo que envolve elementos de anÆlise de conteœdo, com base nas ideias dos estudantes e dos cientistas durante a elaboraçªo da termodinâmica que devem ser levados em conta em sala de aula durante uma atividade sobre conhecimentos de física. Eles foram obtidos recorrendo-se à Kuhn (2000) e Gagliard (1998) para propor uma atividade na qual se procura colocar em evidŒncia conclusıes de diferentes cientistas sobre termodinâmica em diferentes etapas de sua história: as de Carnot, com suas reflexıes sobre o funcionamento das mÆquinas tØrmicas e as de Clausius com suas leis da termodinâmica. Acrescentando-se a isso o fato de que os conhecimentos prØvios dos alunos devem fazer parte do início do processo. Por fim, a integraçªo de elementos relativos a utilizaçªo de textos de Rumford em sala de aula como feito no trabalho de Nascimento (2003), acrescidos de textos de Carnot e Clausius e que tocam em pontos essenciais das diferentes visıes de calor desses cientistas.

A atividade proposta consistiria inicialmente da apresentaçªo de questıes relativas ao conteœdo da termodinâmica. Tais questıes deverªo ser abertas, ou seja: conter características do cotidiano do aluno ( um exemplo Ø a questªo utilizada por Silva e que foi mostrada nesse trabalho). Em seguida, apresentaçªo de textos

contendo consideraçıes sobre a ideia de calor como calórico para serem comparados com as dos estudantes seguidos pela discussªo da importância do calórico na teoria de Carnot . Finalmente, a presentaçªo de textos sobre as controvØrsias existentes em meados do sØculo XIX entre as concepçıes substancialistas e energØticas com a consequente adoçªo, por Clausius, dessa concepçªo e as implicaçıes que essa adoçªo trouxe para o desenvolvimento da Termodinâmica .

As atividades propostas que tocam em pontos conflitantes sobre fenômenos termodinâmicos, nªo só dos alunos, como dos próprios cientistas, evidenciam a necessidade da construçªo de uma sistematizaçªo que balize a busca da generalizaçªo necessÆria que possa clarear o que hÆ de comum entre situaçıes aparentemente diferentes. No nosso caso os aspectos essenciais consistem em permitir que os alunos transformem convenientemente sua estrutura cognitiva para continuarem com a aprendizagem na direçªo de estÆgios cada vez mais desenvolvidos se assim pretenderem.

## Consideraçıes finais

Sobre a atividade apresentada nesse trabalho, podemos levantar a seguinte questªo: Ø preferível dizer que a calor Ø um fluido ou Ø energia? Sob um determinado ponto de vista, o fluido Ø preferível quando se estuda calorimetria. Por outro lado, para compreender as leis da termodinâmica quando de sua formulaçªo inicial, a concepçªo energØtica Ø preferível e aí o calor aparece como algo que se transforma e perde qualidade para que outra grandeza, a energia, seja conservada.

- Os textos históricos podem servir para colocar os estudantes na problemÆtica com a qual os cientistas se defrontaram. Assim Ø possível levar os estudantes ao levantamento de hipóteses e à compreensªo de uma construçªo coletiva do conhecimento e à sua socializaçªo.
- O exemplo da termodinâmica mostra que a construçªo do conhecimento se dÆ por sucessivas revisıes e críticas dos conhecimentos existentes, revelando uma complexidade que se fez necessÆria para se chegar a novos sistemas explicativos que deem conta da soluçªo de novos problemas. Tal processo nªo pode ser ocultado aos estudantes e Ø papel do professor conduzir a aprendizagem nesse sentido.

Por fim, ao ressaltar que controvØrsias ocorridas no desenvolvimento da ciŒncia poderªo ser utilizadas para produzir situaçıes de ensino que possam levar à compreensªo dos conteœdos de física, tambØm se resgata, como foi dito na introduçªo, um dos papeis da escola como um espaço onde os estudantes possam debater e refletir sobre seus conhecimentos frente a outros considerados mais especializados. A compreensªo de como cientistas construíram o arcabouço teórico da ciŒncia e suas implicaçıes na transformaçªo da sociedade, insere essa disciplina numa perspectiva mais ampla em que o sujeito ao se reconhecer como alguØm com possibilidades de atingir o nível alcançado pelos cientistas, possa dar a sua parcela de contribuiçªo na construçªo de uma sociedade mais justa, tolerante e solidÆria.

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