UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE CIÊNCIAS NATURAIS E MATEMÁTICA

ELABORAÇÃO E APLICAÇÃO DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO

SOBRE OS CONCEITOS DE CALOR E TEMPERATURA

FRANCISCO JOSÉLIO RAFAEL

ANDRÉ FERRER P. MARTINS (Orientador)

Dissertação de Mestrado Apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de

Ciências Naturais e Matemática e a Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Natal/ 2007.

FRANCISCO JOSÉLIO RAFAEL

ELABORAÇÃO E APLICAÇÃO DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO SOBRE OS

CONCEITOS DE CALOR E DE TEMPERATURA

NATAL/RN ABRIL DE 2007

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ensino de Ciências Naturais e Matemática pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, sob a orientação do Professor Dr. André Ferrer Pinto Martins.

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN/SISBI/Biblioteca Setorial Mestrado do Centro de Ciências Exatas e da Terra – CCET.

Rafael, Francisco Josélio. Elaboração e aplicação de uma estratégia de ensino sobre os conceitos de calor e de temperatura/ Francisco Josélio Rafael. – Natal, 2007. 70 f.: il. Orientador: André Ferrer Pinto Martins Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática. 1. Física – Ensino – Dissertação. 2. Ensino de Física – Elaboração e aplicação – Dissertação. 3. Estratégia de ensino – Dissertação. 4. Conceitos de calor e de temperatura – Dissertação. I. Martins, André Ferrer Pinto. II. Título. RN/UF/BSE-CCET CDU 51:37

FRANCISCO JOSÉLIO RAFAEL

ELABORAÇÃO E APLICAÇÃO DE UMA ESTRATÉGIA DE ENSINO SOBRE OS

CONCEITOS DE CALOR E DE TEMPERATURA

Aprovada em: ___/___/______

BANCA EXAMINADORA

____________________________________________________________ Prof. Dr. André Ferrer Pinto Martins – Orientador, Universidade Federal do Rio

Grande do Norte – UFRN

_____________________________________________________________ Profª. Dra. Heloísa Flora Brasil Nóbrega Bastos, Examinadora, Universidade Federal

Rural de Pernambuco

______________________________________________________________ Prof. Dr. Marcílio Dias Campos, Examinador, Universidade Federal do Rio Grande do

Norte – UFRN

______________________________________________________________ Prof. Dr. Gilvan Borba, Examinador, Universidade Federal do Rio Grande do Norte –

UFRN

______________________________________________________________ Francisco Josélio Rafael, Mestrando, Universidade Federal do Rio Grande do Norte –

UFRN

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ensino de Ciências Naturais e Matemática do Centro de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ensino de Ciências Naturais e Matemática.

AGRADECIMENTOS

Quando chegamos ao final de uma jornada, começamos a pensar sobre todos aqueles

que, de alguma forma, nos ajudaram a ultrapassar os obstáculos e a superar as dificuldades. E

no meu caso, não há de ser diferente. Com todos eles algo aprendi, todos foram meus mestres.

Assim, mais como aluno, agradeço:

A minha esposa, Veras, pela paciência e compreensão.

À minha família, pelo apoio e compreensão, pois sempre estiveram prontos a ajudar em

minha caminhada.

Ao meu orientador, professor André Ferrer Pinto Martins, pela paciência, coerência e

responsabilidade com que conduziu esse trabalho de pesquisa.

Ao professor Francisco Valdomiro de Morais, pelo incentivo e pela confiança que

deposita em mim.

A todos os professores do mestrado, pelos conhecimentos transmitidos.

Aos colegas professores e alunos da 2ª série “E” (2006) do Centro de Educação

Integrada Professor Eliseu Viana, pela colaboração e apoio moral.

Aos meus amigos da Escola Municipal Sindicalista Antonio Inácio, principalmente a

Dona Eudes Maria da Silva Duarte, pela compreensão e ajuda, nos momentos que mais

precisei, “um amigo é como se fosse um outro eu”.

A Adriana, pelo companheirismo e amizade. A Ricardo Magno dos Anjos, uma das maiores inteligências que conheço.

RESUMO

Este trabalho investigou as concepções alternativas apresentadas por alunos do Ensino

Médio, em relação aos conceitos de calor e de temperatura, objetivando a elaboração e

aplicação de uma estratégia de ensino a partir do diagnóstico levantado das concepções

presentes nos estudantes. A estratégia de ensino foi constituída por uma seqüência de

atividades que envolvem História da Ciência e experimentos, inseridas num curso que teve

como base a proposta do Grupo de Reelaboração do Ensino de Física (GREF). Utilizamos

como fio condutor de nosso trabalho de pesquisa o desenvolvimento da Termodinâmica,

desde o desenvolvimento das primeiras máquinas térmicas, passando pela Revolução

Industrial e a evolução dos conceitos de calor e de temperatura. A estratégia de ensino foi

aplicada a uma turma do segundo ano do ensino médio de uma escola pública da cidade de

Mossoró (RN). Procurou-se, com as atividades, tornar os conceitos que fazem parte da

Termodinâmica mais significativos para os alunos. Avaliamos que a aplicação da estratégia

representou ganhos para os estudantes da turma, em termos do aprendizado das leis e

conceitos da Termodinâmica (especificamente dos conceitos de calor e de temperatura), assim

como no que se refere à superação de suas concepções iniciais.

Palavras-chave: Concepções alternativas. calor e temperatura. Termodinâmica. história da

ciência.

ABSTRACT

This piece of work has investigated the alternative conceptions shown by students of secondary school, concerned to the concepts of warmth and temperature, aiming the elaboration and application of a learning strategy as of the diagnose risen from the conceptions present in students. The learning strategy was built up by a sequence of activities that involve History of Science and experiments, put in a course that had as a base the proposal of the Group of Redevelopment of Physics Teaching (GREF). We have used as the conductor wire of our research the development of thermo dynamics since the development of the first thermo machines, passing by the Industrial Revolution and the evolution of concepts of warmth and temperature. The learning strategy was applied to a group of second grade of secondary school in a public school in Mossoró (RN). By doing these activities we tried to become the concepts, which are part of thermo dynamics, more meaningful to the students. We have estimated that the application of the strategy has represented some profits to the students of the group, concerning to learning of laws and concepts of thermo dynamics (specifically the concepts of warmth and temperature), as well as what it is referred to the overcoming of its initial conceptions.

Key-works: alternative Conceptions, warmth and temperature, thermodynamics, history of science.

SUMÁRIO

1 APRESENTAÇÃO .......................................................................................... 06

2 PRESSUPOSTOS ............................................................................................ 09

2.1 Concepções Alternativas ..................................................................... 09 2.2 História da Ciência e Ensino de Física ................................................. 15

3 HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA ............................................................ 19

3.1 Contexto Histórico – A Revolução Industrial ..................................... 19 3.2 Máquinas Térmicas............................................................................... 22 3.3 Evolução dos Conceitos de Calor e de Temperatura............................ 25

4 METODOLOGIA E RESULTADOS ............................................................. 35

4.1 Questionário Diagnóstico .................................................................... 35 4.2 Estratégia de Ensino ............................................................................ 40 4.3 Avaliação Após Aplicação de Estratégia de Ensino ............................ 55

5 CONCLUSÕES ............................................................................................... 65

REFERÊNCIAS ................................................................................................ 68

APÊNDICES ....................................................................................................... 71

APÊNDICE A - Questionário ..................................................................... 71 APÊNDICE B – Texto: A Revolução Industrial e a Termodinâmica ......... 74

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1 APRESENTAÇÃO

Nosso trabalho de pesquisa foi desenvolvido junto ao Centro de Educação

Integrada Professor Eliseu Viana, município de Mossoró, RN, com alunos da 2ª série do

Ensino Médio. Trata-se de uma pesquisa de caráter aplicado, voltada à melhoria do ensino de

Física no nível médio, mais especificamente do conteúdo de Termodinâmica. O que nos levou

a trabalhar esse tema foi a freqüência com que as pessoas utilizam, em seu cotidiano, os

conceitos de calor e de temperatura, tendo em vista que a cidade apresenta temperaturas

altíssimas o ano inteiro.

Leia o que escreve um dos jornais da cidade:

Calor cada vez maior em Mossoró Não precisa ser nenhum especialista para saber que a cidade está mais quente. Do meio-dia às 15h, o Centro praticamente fervilha. Além do período de verão que eleva a temperatura consideravelmente, a onda de calor é um reflexo do aquecimento global. Em Mossoró, a temperatura nesse horário varia entre 34ºC a 36ºC na estação meteorológica da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). Já no Centro da cidade, a temperatura ultrapassa os 40ºC (Janaina Holanda).

No entanto, na maioria das vezes as pessoas utilizam esses conceitos de forma

errada, do ponto de vista do conhecimento científico em vigor. Esse conhecimento do senso

comum em relação aos conceitos de calor e de temperatura chega à sala de aula, tornando-se

muitas vezes obstáculos para que o professor trabalhe a concepção científica vigente em

relação a tais conceitos.

Portanto, por esses conceitos fazerem parte da cultura da cidade de Mossoró,

bem como tendo em vista a importância do estudo da Termodinâmica e,

especificamente, o estudo dos conceitos de calor e de temperatura e as dificuldades em se

conseguir uma aprendizagem significativa e consistente de tais conteúdos, optamos em

trabalhar este tema. Nosso trabalho de pesquisa pretende ser um instrumento facilitador da

aprendizagem de tais conceitos.

Como ponto de partida de nosso estudo, necessitávamos responder a uma

questão:

• Quais as concepções alternativas apresentadas pelos alunos da Segunda Série

“E” do Ensino Médio do Centro de Educação Integrada Professor Eliseu Viana,

em relação aos conceitos de calor e de temperatura?

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Para responder a esse questionamento elaboramos e aplicamos um

questionário, no âmbito de uma pesquisa diagnóstica. Depois de respondida essa questão,

nossa intenção foi a de elaborar e posteriormente aplicar uma estratégia de ensino na

respectiva turma, tendo como um dos objetivos tornar mais significativo para os alunos o

conhecimento relativo aos conceitos de calor e de temperatura, evitando assim que tais

conteúdos tenham significado apenas na escola, durante as aulas, e não na vida. O respectivo

trabalho de pesquisa pretende ser um instrumento prático, capaz de lidar com as concepções

alternativas dos alunos, objetivando a superação das mesmas através de uma estratégia de

ensino, que possibilite aos educandos refletirem sobre as suas concepções acerca dos

conceitos de calor e temperatura e construírem novas concepções que estejam de acordo com

o modelo científico vigente.

Observamos que, a maior parte dos trabalhos na área tem se direcionado para

a identificação de concepções alternativas e apresentado apenas sugestões de ordem geral para

o ensino. Estes trabalhos têm a sua validade, pois, além de chamarem a atenção para a

problemática, fornecem aos professores exemplos concretos de noções alternativas que podem

ocorrer entre seus alunos. Por outro lado, a área ressente-se da falta de pesquisas direcionadas

especificamente no sentido de como trabalhar essas noções em sala de aula.

A estratégia de ensino elaborada teve como princípio fundamental a

contextualização do conhecimento físico, inserindo elementos do cotidiano do aluno. Além

disso, foram trabalhadas atividades experimentais, bem como atividades que contemplaram

aspectos da história da ciência, buscando atender aos princípios defendidos pelos Parâmetros

Curriculares Nacionais para o ensino de Física:

Espera-se que o ensino, na escola média, contribua para a formação de uma cultura científica efetiva, que permita ao indivíduo a interpretação dos fatos, fenômenos e processos naturais, situando e dimensionando a interação do ser humano com a natureza como parte da própria natureza em transformação (BRASIL, 2002, p. 229).

Enfim, para que todo o processo de conhecimento possa fazer sentido para os

alunos, é imprescindível que ele seja instaurado através de um diálogo constante entre alunos

e professores. E isso somente será possível se estiverem sendo considerados objetos, coisas e

fenômenos que façam parte do universo do aluno, inclusive as suas concepções alternativas.

Assim, devem ser contempladas sempre estratégias que contribuam para esse diálogo, de

forma a permitir ao aluno construir uma percepção significativa da realidade em que vive. É

importante que a estratégia reforce a necessidade de considerar o mundo em que o aluno está

inserido, não somente através do reconhecimento de seu cotidiano enquanto objeto de estudo,

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mas também de todas as dimensões culturais, sociais e tecnológicas que podem ser por ele

vivenciadas na cidade ou região em que mora.

Inicialmente, neste trabalho, abordamos a questão das concepções alternativas

e a importância em conhecê-las para que se tenha um ensino efetivo, pois, os alunos chegam à

escola já trazendo em sua bagagem cultural, vários conhecimentos físicos que construíram fora

do espaço escolar, e os utilizam na explicação dos fenômenos ou processos que observam em

seu dia-a-dia. Muitas vezes, constroem até mesmo modelos explicativos consistentes e

diferentes daqueles elaborados pela ciência. Trata-se de um conhecimento essencialmente

pragmático, cujo caráter de validade na esfera cotidiana da vida é sua funcionalidade. No

entanto, não é possível ignorar toda a bagagem conceitual que o aluno traz ao se deparar com

o ensino formal de Física na escola.

Em nosso estudo, demos ênfase especialmente às concepções alternativas dos

alunos sobre os conceitos de calor e de temperatura, analisando a influência dessas

concepções sobre a compreensão dos fenômenos estudados na termodinâmica, procurando

reconhecer aquelas mais freqüentes e reincidentes, argumentando que, além de estarem

diretamente associadas ao senso comum, exigem do aluno um grau de abstração que nem

sempre ele está pronto a oferecer.

Em seguida, fizemos um breve relato sobre a História da Ciência e o ensino de

Física, defendendo que elementos históricos contribuem para o aprendizado e devem estar

presentes na sala de aula. Em função disso, abordamos um pouco da história da

Termodinâmica, apontando a importância do seu estudo e fazendo uma descrição das

primeiras máquinas térmicas, procurando ressaltar as possíveis relações com os conceitos

científicos aceitos no período da Revolução Industrial, bem como, o desenvolvimento dos

conceitos de calor e temperatura ao longo da história do conhecimento.

Finalmente, passamos à descrição da elaboração, aplicação das atividades e

avaliação de nossa estratégia de ensino.

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2 PRESSUPOSTOS

2.1 Concepções alternativas

Muitos trabalhos de pesquisa têm demonstrado que os modelos que os

indivíduos usam para explicar os fenômenos físicos do cotidiano desenvolvem-se desde a

infância, não sendo originados, portanto, exclusivamente de seu aprendizado escolar. Tais

idéias não se constituem em simples concepções isoladas, mas são estruturas conceituais

elaboradas, que proporcionam ao indivíduo uma compreensão coerente da realidade sob seu

ponto de vista.

As concepções alternativas (VIENNOT, 1979, Apud SILVA, 1995), também

chamadas de erros conceituais, idéias intuitivas, concepções espontâneas, etc., possuem as

seguintes características:

� São encontradas em um grande número de estudantes, de qualquer nível

de escolaridade;

� Cobrem uma vasta gama de conteúdos e têm amplo poder explicativo;

� Diferem, na maior parte das vezes, das idéias expressas através dos

conceitos, leis e teorias que os alunos devem aprender;

� São muito difíceis de serem mudadas e resistem ao ensino de conceitos

que conflitam com elas;

� Interferem no aprendizado da Física, sendo responsáveis, em parte,

pelas dificuldades que os alunos encontram em conteúdos dessa disciplina,

acarretando um baixo rendimento quando comparado com disciplinas de outras

áreas;

� Apresentam semelhanças com esquemas de pensamento encontrados na

evolução de teorias físicas, fornecendo uma forte evidência de que os erros dos

alunos não são simplesmente indícios de ignorância.

As características acima mencionadas não deixam dúvida de que, para haver

um ensino efetivo, não é possível ignorar toda a bagagem conceitual que o aluno traz ao se

deparar com o ensino formal de Física na escola. Como ele já tem uma explicação de “como

as coisas funcionam”, frequentemente não aceita bem a visão da ciência. Pode inclusive obter

a solução correta de problemas que exijam a aplicação direta de equações, demonstrando uma

aparente compreensão do conteúdo (PEDUZZI, 1988), mas, no entanto, quando se depara

com problemas envolvendo situações do dia-a-dia nas quais não são necessários “cálculos”

para a sua solução, responde usando o esquema conceitual alternativo.

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As concepções alternativas têm sua origem na atividade cotidiana das pessoas,

surgindo na interação espontânea com meio cotidiano e servem, principalmente, para fazer

previsões em relação ao comportamento do meio. Estão, além disso, determinadas quanto ao

seu conteúdo por limitações na capacidade de processamento dos seres humanos. Outro

aspecto característico das concepções alternativas é que se organizam em forma de “teoria-

ação” ou implícitas (DRIVER E ERICKSON, 1983, Apud SILVA, 1995), “teorias pessoais”

(CLAXTON, 1984, Apud SILVA, 1995) ou “teorias causais” (POZO, 1987a, 1987b). Todas

essas denominações referem-se, especificamente a duas características bem marcantes das

concepções alternativas, que são: (i) os conceitos espontâneos não se justapõem uns aos

outros, mas constituem estruturas hierarquizadas de conceitos, ainda que geralmente

implícitas ou não conscientes; e (ii) tais estruturas cognitivas possuem uma função

explicativa. Em conseqüência de sua origem na atividade espontânea e sua organização em

teorias, tais conceitos resultam muito resistentes à mudança, persistindo mesmo após uma

longa instrução científica. Em geral, não são abandonados pela simples exposição aos

conceitos científicos corretos.

Mas a superação de tais concepções exige que os alunos se conscientizem de

suas próprias concepções alternativas e que as mesmas sejam analisadas e discutidas em sala

de aula; para isso, pode se fazer uso de experiências de laboratório, tanto em nível qualitativo

quanto quantitativo (CLEMENTE, 1982, Apud SILVA, 1995), fazer apresentações de

exemplos e contra exemplos, fazer uso também da resolução de problemas (não na forma

como normalmente são propostos nas tradicionais listas de problemas, como simples

exercícios de aplicação da teoria, mas como um meio através do qual o aluno possa discutir

mais a situação física envolvida e seus possíveis modelos alternativos (PEDUZZI, 1988)),

utilizar da discussão de aspectos ligados à História da Ciência como forma de estabelecer um

paralelismo entre algumas concepções alternativas dos alunos e importantes idéias mantidas

no passado e também para o aluno perceber a evolução de conceitos e o desenvolvimento de

teorias (GILBERT E ZYLBERSZTAJN, 1985). É interessante que o modelo científico e o

alternativo sejam comparados quanto ao seu poder explicativo e suas limitações e que esse

modelo científico seja aplicado em situações conhecidas e novas.

Alguns pesquisadores, tomando por base que a aprendizagem é um processo

que envolve compreender e aceitar idéias que sejam inteligíveis e racionais, postularam quatro

condições necessárias a uma mudança conceitual (POSNER et al., 1982, Apud SILVA, 1995):

� Dever haver descontentamento com as concepções existentes.

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O aluno deve verificar que existem situações que não pode explicar com o seu

modelo conceitual. Essa ocorrência de irregularidade cria então uma insatisfação com suas

idéias alternativas que pode favorecer a mudança conceitual.

• Uma idéia ou conceito novo deve ser inteligível.

Uma idéia ou conceito novo deve ser bem compreendido pelo estudante, de

modo que ele possa enxergar a sua aplicabilidade a novas situações.

• Uma idéia ou conceito novo deve parecer inicialmente aceitável.

• Uma idéia ou conceito novo deve ser útil.

Uma idéia ou conceito novo deve servir para explicar as irregularidades

encontradas, resolvendo novas situações.

Uma pessoa com formação científica poderia rir da ingenuidade do

pensamento infantil, capaz de inventar a entidade frio em contrapartida ao calor, e de

distinguir duas formas de “energia” que podem fluir de um corpo ao outro: o calor e o frio. No

entanto, no seu cotidiano, essa pessoa continuará a usar esses conceitos de uma forma muito

natural. Mesmo porque soaria pedante alguém afirmar que “vestiu uma blusa de lã porque ela

é um bom isolante térmico, impedindo que o corpo ceda calor para o ambiente”. Ora, nós

vestimos lã porque ela é quente e nós estamos com frio. Não há aí nenhum vestígio de

concepções ingênuas, mas apenas usamos a palavra calor num sentido de senso comum que a

nossa cultura consagrou.

Portanto, existe um consenso entre os pesquisadores da área de Ensino de

Ciências em relação às dificuldades na superação das concepções alternativas, apresentadas

pelos alunos quanto aos conteúdos a serem trabalhados nesse nível de ensino. Segundo

Bachelard:

Os professores de Ciências imaginam que o espírito começa como uma aula, que é sempre possível reconstruir uma cultura falha pela repetição da lição, que se pode fazer entender uma demonstração repetindo-a ponto por ponto. Não levam em conta que o adolescente entra na aula de física com conhecimentos empíricos já constituídos: não se trata, portanto, de adquirir uma cultura experimental, mas sim de mudar de cultura experimental, de derrubar os obstáculos já sedimentados pela vida cotidiana. (...) Toda cultura cientifica deve começar por uma catarse intelectual e afetiva. Resta, então, a tarefa mais difícil: colocar a cultura cientifica em estado de mobilização permanente, substituir o saber fechado e estático por um conhecimento aberto e dinâmico, dialetizar todas as variáveis experimentais, oferecer enfim à razão razões para evoluir (BACHELARD, 2005, p. 23-24).

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A busca da superação das concepções alternativas dos alunos pressupõe uma

mudança de atitude dos professores diante de sua prática didático-pedagógica. O professor

não pode ser um mero transmissor do conhecimento e o aluno apenas um receptor. Nessa

perspectiva, o professor tentará transmitir o conteúdo para o aluno, mas provavelmente não

ocorrerá aprendizagem, já que o aluno será visto como um ser passivo. Então, como suas

concepções alternativas não serão levadas em conta, dificilmente ele relacionará o que é

apresentado pelo professor com o que já sabia e não fará a mudança conceitual. Nessa

abordagem, centrada no professor e não no aluno, este não participará ativamente de sua

aprendizagem, não vivenciará a construção de seu próprio conhecimento.

Segundo Zylberstajn, em artigo publicado em 1983, os pesquisadores em

Ensino de Ciências parecem ter se dado conta das implicações educacionais decorrentes do

fato de que alunos constroem concepções a respeito da realidade que os cerca. Concepções

estas que lhes proporcionam uma compreensão pessoal desta realidade, influindo na maneira

pela qual estes alunos aprendem (ou deixam de aprender) os conceitos que lhes são ensinados.

Atualmente, não existem mais dúvidas da importância em conhecer as

concepções dos estudantes, como fator que tem implicações na aprendizagem, permitindo, a

pesquisadores na área, afirmarem que:

Na realidade há um confronto entre a Física ensinada (oficial) e a espontânea e sem dúvida o objetivo do ensino é a aprendizagem da oficial; este confronto muitas vezes se realiza de forma pouco harmoniosa e seu resultado não é uma visão conceitual coerente e rica, mas a superposição e justaposição de conceitos de diferentes origens e alcance, que prejudicam qualquer pretensão de aprofundamento teórico do aluno (VILLANI et al., 1982, p. 125-150).

Aceitando a idéia que existe um confronto entre a Física “oficial” e a

alternativa durante o processo ensino-aprendizagem, faz-se necessário que os professores

tornem-se pesquisadores, cujo objeto de pesquisa é seus próprios alunos. Esse papel de

professor-pesquisador é necessário, pois o ensino a ser ministrado pelo mesmo será menos ou

mais eficiente dependendo de seu conhecimento sobre alguns aspectos relativos a seus alunos,

em especial as concepções alternativas apresentadas pelos mesmos em relação aos temas a

serem discutidos em sala de aula. De acordo com Villani:

[...] não é produtivo ignorar a bagagem cultural do aluno e todo o conjunto de noções espontâneas que ele carrega ao se deparar com o ensino formal na escola. Se não cuidar adequadamente da física espontânea dos alunos sobrarão duas estruturas superpostas, entre as quais os alunos escolherão

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uma dependendo do contexto; em geral quando o problema envolver muitos elementos formais usarão a aprendizagem formal; quando o problema envolver elementos do dia-a-dia e com características bem figurativas ou capazes de estimular a percepção, usarão o esquema espontâneo (VILLANI et al., 1982, p. 125-150).

O conhecimento das concepções alternativas dos estudantes permite aos

professores planejarem estratégias de ensino que facilitem o processo ensino - aprendizagem,

pois as atividades a serem desenvolvidas em sala de aula serão direcionadas à superação de

tais concepções diagnosticadas previamente. Superação que, no entanto, nunca é total. Alguns

autores consideram inviável querer extinguir as concepções cotidianas dos alunos, enraizadas

que estão na linguagem cotidiana, dada a existência de um grande número de situações em

que essas concepções são aplicadas com sucesso. Afirmam ainda que:

[...] dependemos das concepções, expressas na linguagem cotidiana para comunicar e sobreviver no nosso dia-a-dia. Em lugar de tentar suprimi–las, seria melhor oferecer aos alunos condições para tornar consciência de sua existência e saber diferenciá–las dos conceitos científicos (MORTIMER & AMARAL, 1998 p 30).

Embora o objetivo principal da escola seja o ensino do conhecimento

científico, compreendemos que nem sempre é fácil fazer com que os alunos adotem a

concepção científica vigente e abandonem suas concepções alternativas, pois essas

concepções são produto de aprendizagem significativa, ou seja, são idéias que têm significado

para o aluno, mas que talvez o importante fosse que o estudante adquirisse consciência de que

tais significados são errôneos no contexto científico.

Muitos pesquisadores, entre eles Mortimer (1994), admitem a possibilidade de

usar diferentes formas de pensar em diferentes domínios e, ainda, que a construção de uma

nova idéia possa, em algumas situações, ocorrer independentemente das idéias prévias e não

necessariamente como uma acomodação de estruturas conceituais já existentes.

Nesse sentido,

(...) permite entender a evolução das idéias dos estudantes em sala de aula não como uma substituição de idéias alternativas por idéias científicas, mas como a evolução de um perfil de concepções, em que as novas idéias adquiridas no processo de ensino-aprendizagem passam a conviver com as idéias anteriores, sendo que cada uma delas pode ser empregada no contexto conveniente. Através dessa noção é possível situar as idéias dos estudantes num contexto mais amplo que admite sua convivência com o saber escolar e com o saber científico. (MORTIMER, 1994).

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Para esse autor, suprimir as concepções alternativas significaria suprimir o

pensamento de senso comum e seu modo de expressão, a linguagem cotidiana.

Especificamente em relação aos conceitos de calor e temperatura, existe um

consenso sobre a importância da correta compreensão dos mesmos, como requisito básico

para o entendimento de outros conceitos fundamentais da Física. Einstein e Infeld confirmam

essa importância, afirmando:

Os conceitos mais fundamentais na descrição dos fenômenos térmicos são temperatura e calor. Foi necessário um tempo inacreditavelmente longo da história da ciência para que esses conceitos fossem distinguidos, mas uma vez feita essa distinção, resultou em rápido progresso (EINSTEIN E INFELD, 1980, p. 39-40).

Schenberg também chama a atenção para a importância da compreensão

correta dos conceitos de calor e temperatura sob a ótica do conhecimento científico, pois

proporcionará aos estudantes assimilarem e/ou construírem outros conceitos científicos,

permitindo aos mesmos fazerem uma transição segura entre os conceitos macroscópicos para

os microscópicos que permeiam a Física Térmica. O mesmo sinaliza, ao falar da revolução

dos quanta, sobre a importância de uma teoria científica do calor:

Esta grande revolução, talvez a maior de todas que houve na Física depois da criação da Mecânica no século XVII, foi exatamente a criação da teoria dos quanta. E foram os estudos do calor e da termodinâmica que levaram a essa revolução. [...] Durante o século XIX se desenvolveram, portanto, essas duas teorias: a teoria do calor e a teoria do campo eletromagnético. A teoria do calor conduziu à mecânica estatística e à introdução dos conceitos probabilísticos na Física (SCHENBERG, 1984, p. 106 – 110).

Segundo Silva (1995), podemos resumir as concepções alternativas sobre os

conceitos enfocados como:

• Calor é entendido como uma substância, uma espécie de fluido, como às vezes

o frio ganha uma conotação semelhante e contrária;

• Temperatura é a medida do calor de um corpo;

• Calor também está associado às temperaturas altas;

• Tende-se a estabelecer a temperatura como propriedade dos corpos, não

pensando em equilíbrio térmico;

• Há uma tendência de usar o calor como propriedade dos corpos quentes e o

frio como propriedade contrária;

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• Os conceitos de calor e temperatura são usados como sinônimos. Usa-se

também o conceito de temperatura como sinônimo de energia;

• Há também uma propriedade animista, usada para explicar o aquecimento ou o

resfriamento, sem se constituir em figuras de linguagem;

• Há uma atribuição de propriedades macroscópicas às partículas;

• Calor é um processo interno resultante do atrito entre as partículas.

Segundo Silva (1995), não se deve ensinar os conceitos de calor e temperatura

de forma “tradicional”. É preciso distinguir um do outro, tratando o calor como uma

propriedade extensiva, isto é, dependente ou proporcional à massa do corpo (ou sistema) e

que pode ser definido como sendo a energia transferida de um sistema a outro, quando existe

uma diferença de temperatura. E a temperatura como propriedade intensiva, ou seja,

independente da massa. Sem isso não se pode superar os conceitos prévios dos alunos.

Entendemos que trabalhar essa diferenciação implica, antes de tudo, no conhecimento pelo

professor das concepções alternativas apresentadas pelos estudantes e da concepção científica

em relação a estes conceitos.

2.2 História da ciência e Ensino de Física

Se a ciência é a reunião de fatos, teorias e métodos reunidos nos textos atuais, então os cientistas são homens que, com ou sem sucesso, empenharam-se em contribuir com um ou outro elemento para essa constelação específica.

KUHN, 1998, p. 20.

Consideramos ser a História da Ciência um instrumento importante que deve

ser utilizado pelos professores, pois facilitará o processo ensino-aprendizagem dos alunos. A

mesma pode, segundo Silva (1995) e Vannucchi (1996):

• Propiciar o aprendizado significativo de equações que o utilitarismo do ensino

tradicional acaba transformando em meras expressões matemáticas que servem à

resolução de problemas ou simplesmente de exercícios;

• Ser bastante útil para lidar com a problemática das concepções alternativas, pois

algumas das concepções apresentadas por alunos são encontradas ao longo do

desenvolvimento da ciência;

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• Incrementar a cultura geral do aluno, admitindo-se neste caso, que há um valor

intrínseco em se compreender certos episódios fundamentais que ocorreram na história

do pensamento científico;

• Desmistificar o método científico, dando ao aluno os subsídios necessários para que

ele tenha um melhor entendimento do trabalho do cientista;

• Mostrar ao aluno como o pensamento científico se modifica com o tempo,

evidenciando que as teorias científicas não são “definitivas, verdades absolutas e

irrevogáveis”, mas objeto de constante revisão e que na maioria das vezes não

apresenta um desenvolvimento linear;

• Chamar a atenção do aluno para o papel de idéias metafísicas no desenvolvimento de

teorias científicas mais antigas;

• Contribuir para um melhor entendimento das relações da ciência com a tecnologia, a

cultura e a sociedade;

• Tornar as aulas de ciência (Física) mais desafiadoras e reflexivas, permitindo desse

modo, o desenvolvimento crítico (MATTHEWS, 1994, Apud SILVA, 1995);

• Propiciar o aparecimento de novas maneiras de ensinar certos conteúdos;

• Melhorar o relacionamento professor-aluno;

• Levar o aluno a se interessar mais pelo Ensino da Física.

Mas, essa utilização da História da Ciência nas aulas de Física só será

significativa existindo uma pesquisa bem feita, em condições de sala de aula e com materiais

históricos apropriados, de boa qualidade. Outro cuidado que se deve ter é que não se pode

exagerar ou supervalorizar a contribuição da história junto ao ensino, para não tornar o ensino

dependente da história, e também para não alimentar expectativas que possam concebê-la

como a solução dos sérios problemas do ensino de Física.

Trabalhar a História da Ciência nas aulas requer também uma mudança na

postura do professor, o mesmo terá de agir como um “professor-pesquisador”, pois, assim ele

não corre o risco de fazer surgirem inoportunas relações de hierarquia e complexidade

crescente entre o passado e o presente. Ou seja, de disseminar a idéia de que o passado seria

constituído de elementos simples que foram se tornando complexos por conta de um processo

contínuo de elaboração científica.

O professor com interesse na utilização da História da Ciência em suas aulas,

terá de realizar uma seleção das fontes e dos materiais, consciente de que essa seleção envolve

decisões que não podem ser dissociadas da visão de mundo e das concepções de ciência do

17

estudioso. Pois, uma seleção histórica da evolução dos assuntos de um corpo específico de

conhecimento, em qualquer situação, será sempre um subconjunto do real que apresenta um

emaranhado de relações que lhe conferiram dinamicidade. Esta dificuldade, no entanto, pode

ser contornada se os professores produzirem, como afirma Matthews:

[...] uma história simplificada que lance uma luz sobre os conteúdos discutidos, que não seja uma mera caricatura do processo histórico. A simplificação deve levar em consideração a faixa etária dos alunos e todo o currículo a ser desenvolvido. História e ciência podem torna-se mais e mais complexas à medida que assim exija a situação educacional (MATTHEWS, 1995 p. 164-214). No entanto, existem correntes de pesquisadores contrários à utilização da

história da ciência no ensino, e que fazem severas críticas. Segundo Kuhn, encorajar os

estudantes de ciência a lerem os clássicos históricos de suas áreas propiciar-lhes-ia o contato

com trabalhos nos quais “poderiam descobrir outras maneiras de olhar os problemas

discutidos nos seus livros de texto”. Assegura Kuhn, “mas onde também encontrariam

problemas, conceitos e padrões de solução que as suas futuras profissões há muito

descartaram e substituíram”. Assim, a exposição à história da ciência poderia abalar ou

enfraquecer as convicções do estudante sobre o paradigma vigente, sendo, nessa leitura,

danosa à sua formação.

De acordo com a visão Kuhniana do desenvolvimento científico, a estabilidade

do cientista em um período de ciência normal contrasta com as suas incertezas e inseguranças

durante as crises e revoluções. Desse modo, por que submeter “novamente” o estudante, quem

sabe, futuro cientista, ao resgate de concepções que os melhores e mais persistentes esforços

da ciência tornaram possível descartar? (KUHN, 1987, p.176). Entretanto, é justamente a

pouca presença da História da Ciência nos livros didáticos e o seu uso distorcido no sentido

de promover uma reconstrução de idéias que parecem fluir naturalmente em direção a teorias

atualmente aceitas, que “tende a apresentar as teorias atuais como resultado de um processo

de gestação, onde os cientistas do passado operavam sobre um embrião que o presente

transformou em rebento” (BIZZO, 1992, p. 28-35), que faz despercebida, para o estudante, as

grandes rupturas no conhecimento científico. Ou seja, a imagem do trabalho científico que

resulta dessa opção educacional é a de cientistas de épocas anteriores trabalhando linear e

cumulativamente em prol de uma ciência em constante desenvolvimento.

Ainda, segundo Kuhn:

18

[...] em vez de procurar as contribuições permanentes de uma ciência mais antiga para a nossa perspectiva privilegiada, devemos atentar para a integridade histórica daquela ciência, a partir de sua própria época. Por exemplo, não devemos perguntar pela relação de Galileu e as da ciência moderna, mas antes pela relação entre as concepções de Galileu e aquelas partilhadas por seu grupo, isto é, seus professores, contemporâneos e sucessores imediatos nas ciências. (...) devemos procurar estudar as opiniões desse grupo e de outros similares a partir da perspectiva que dá a essas opiniões o máximo de coerência interna (KUHN, 1998, p. 22).

Outra crítica feita à utilização da História da Ciência no ensino, é a que

defende ser de uma complexidade sem limites a caminhada do cientista na busca do

conhecimento. Desse modo, a discussão histórico-didática de concepções científicas já não

mais aceita pela ciência contemporânea seria, no mínimo, incompleta e, por essa razão,

passível de receber fortes objeções.

Portanto, observamos a existência de opiniões distintas em relação à utilização

da História da Ciência no ensino. Consideramos que, se utilizada, tendo o cuidado de analisar

de forma coerente os pontos positivos e negativos acima discutidos, torna-se uma ferramenta

indispensável como instrumento facilitador do processo de construção do conhecimento

físico. A História da Ciência pode dar maior significado aos conteúdos de Física trabalhados

no ensino médio, como fórmulas e equações que, às vezes, são trabalhadas sem que muitos

alunos possam apreender o que significam.

19

3 HISTÓRIA DA TERMODINÂMICA

Uma vez discutida, ainda que brevemente, a relevância da História da Ciência

para as questões do ensino de Física, passemos agora a uma breve apresentação de aspectos

relativos à história da Termodinâmica. Isso é fundamental, tendo em vista que os conceitos de

calor e de temperatura são centrais em nosso estudo.

Nessa seção e na próxima, utilizamos como referência principal a obra: Perry

(1985).

3.1 Contexto histórico – A Revolução Industrial

Segundo Roditi, a Termodinâmica é o:

Ramo da Física que investiga as leis e processos que regem as relações entre calor, trabalho e outras formas de transformação de energia, mais especificamente as mudanças de energia que a disponibilizem para a realização de trabalho, assim como a direção das trocas de calor (RODITI, 2005, p. 223)

A palavra Termodinâmica é derivada das palavras gregas thermé (calor) e

dynamis (força). Procura responder a perguntas do tipo. O que é calor? “Quanto” calor é

necessário fornecer a um corpo para aumentar sua temperatura? Como se pode realizar

trabalho, transformar energia, a partir do calor? É possível uma máquina térmica ter

rendimento igual ou superior a cem por cento?

A

Termodinâmica foi

desenvolvida em um

momento histórico

marcado por uma fase de

profundas mudanças

sociais e econômicas, na

Europa, concretizadas com

o estabelecimento do modo

de produção capitalista no

período referente aos séculos XVIII e XIX. Uma pequena classe média urbana, no início

restrita a Inglaterra, aos Países Baixos e ao norte da França, rompe com o sistema de produção

Figura 1 – Londres, Século XVIII

20

feudal da Idade Média através, inicialmente, de uma produção artesanal e doméstica. Por

outro lado, os métodos da ciência experimental estabelecidos no século XVII com a revolução

científica (BERNAL, 1979) passam a ser aplicados aos diversos ramos do conhecimento; tais

aplicações, por sua vez, são utilizadas para propiciar as transformações nos meios de

produção. Assim, com a melhor organização do trabalho, através da divisão e da

especialização das tarefas, e com as inovações tecnológicas resultantes do estabelecimento

dos métodos da ciência experimental, a exemplo da maquinaria têxtil, firma-se na prática um

novo sistema de produção. Tal modo de produção atinge rapidamente o comércio e a

agricultura. Para o estabelecimento e êxito do que se chamou de Revolução Industrial, as

inovações tecnológicas tiveram um papel fundamental, destacadamente a máquina a vapor, na

medida em que essa se tornou o ponto de partida para o bom êxito da indústria pesada, assim

como para a evolução dos meios de transporte.

Portanto, o termo Revolução Industrial refere-se à mudança de uma economia

agrária manual para outra dominada pela produção mecanizada em fábricas nas áreas urbanas.

A Revolução Industrial envolveu uma mudança do trabalho manual para o realizado por

máquinas e do trabalho humano ou animal para outras formas de energia, como a máquina a

vapor ou de combustão. A aplicação de inventos às tarefas humanas e à organização do

trabalho em equipes, nas fábricas, teve enormes conseqüências para a sociedade. A mudança

tecnológica apelou para as esperanças de homens e mulheres progressistas, oferecendo uma

promessa de alívio da pobreza, das necessidades e do trabalho duro. Mas a industrialização e a

urbanização rápidas criaram também problemas imensos para o indivíduo e o para o Estado.

O progresso individual não se processou em todos os lugares com o mesmo

ritmo. No entanto, vale ressaltar que a origem da revolução Industrial está vinculada com a

indústria têxtil, naquela época a principal indústria da Inglaterra. Esse processo de

desenvolvimento e expansão que culminou com a Revolução Industrial, teve início com a

invenção da lançadeira volante de Johnny Kay, que foi

aperfeiçoada e duplicou a produção de um tecelão. Essa

lançadeira, que podia ser usada em casa, era uma adaptação

de outras máquinas que tinham sido usadas durante várias

gerações no comércio de lã. Depois, a máquina de fiar de

James Hargreaves, aperfeiçoada por volta de 1768, permitiu

a um operário manipular vários fusos imediatamente (usando

ainda somente a energia humana).

Figura 2 – Lançadeira manual Figura 2 – Lançadeira manual

21

Figura 4 - Spinning mule

O modelo de máquina de fiar de 1768, de

Richard Arkwright, podia ser movido pela ação da água ou

por energia animal, uma vantagem enorme; e a “spinning

mule”, de Samuel Crompton, de início facilitou a

manipulação de vários fusos pela energia do homem, depois

pela energia animal e da água. Essas mudanças na fiação

melhoraram a produtividade de tal modo, que as condições

de tecelagem desenvolveram-se até o tear automático de

Edmund Cartwright em 1787.

Esses inventos não eram

complicados e foram produzidos por

tecelões e fiandeiros, e não por técnicos,

inventores ou cientistas. Eram feitos de

acordo com modelos de máquinas já

existentes. Porém, com o processo de

industrialização que se encontrava em

andamento, exigia uma tecnologia cada vez

mais complexa. Surgia aí uma função para o

engenheiro, um perito na construção e na

adaptação de máquinas, constituindo, assim,

a Revolução Industrial um estímulo à

atividade científica, estando esta voltada para problemas suscitados pela indústria. Portanto,

foi nesse contexto social, econômico e político, enfim, histórico, que se deu a evolução da

Termodinâmica.

Figura 3 – Lançadeira de Richard Figura 2 – Lançadeira manual

Figura 5 – Manuwframe

22

3.2 Máquinas térmicas

Até há cerca de 200 anos, a maior parte do trabalho era feito por pessoas ou

animais. O trabalho era também obtido a partir do vento e da água, mas ambos não eram

fontes confiáveis de energia, porque não podiam ser utilizados facilmente em qualquer local e

quando necessários. No século XVIII, a exploração das reservas de carvão, fez surgir a

necessidade de um método econômico para bombear a água das minas que ficavam inudadas

e que, portanto, teriam de ser abandonadas. A máquina a vapor desenvolveu-se inicialmente

para satisfazer a esta necessidade prática.

A máquina a vapor é um aparelho que converte a energia de alguns

combustíveis (por exemplo, a energia química do carvão ou do petróleo ou a energia nuclear

do urânio) em energia térmica e esta em energia mecânica. Esta energia mecânica pode então

ser utilizada diretamente para realizar trabalho, como numa locomotiva a vapor, ou pode ser

transformada em energia elétrica.

Desde tempos remotos que se sabe que o calor pode ser utilizado para produzir

vapor, podendo este depois produzir trabalho mecânico. A eolípila, inventada por Herão de

Alexandria cerca de 100 anos antes de cristo, trabalhava segundo o princípio da terceira lei de

Newton. O irrigador de jardim rotativo trabalha do mesmo modo, exceto que a força motora é

devida à pressão da água em vez da pressão do vapor.

A eolípila de Herão era um brinquedo, mais para entretenimento do que para

qualquer trabalho útil. Somente, a partir do final do século XVIII foram inventadas máquinas

a vapor com interesse comercial.

Atualmente, diríamos que uma máquina a vapor usa uma “reserva de calor”

para realizar trabalho mecânico, isto é, converte calor em energia mecânica. Mas muitos

inventores nos séculos XVIII e XIX não pensaram no calor deste modo. Olharam o calor

como uma substância fina, invisível, que podia ser utilizada repetidamente para produzir

trabalho sem se esgotar. Todavia, não tiveram que esperar para aprender todas as leis da física

até então conhecidas para que se tornassem engenheiros bem sucedidos. De fato, a seqüência

dos acontecimentos foi precisamente ao contrário: as máquinas a vapor foram desenvolvidas

primeiro por homens que se preocuparam menos com a ciência do que com ganhar dinheiro

ou pelo menos com a melhoria e a segurança na exploração das minas. Mas tarde, cientistas

que tinham não só um conhecimento prático do que trabalhava, mas também a curiosidade de

como trabalhava, fizeram novas descobertas em física.

23

A primeira máquina a vapor com sucesso comercial foi inventada por Thomas

Savery (1698), baseada num projeto de Edward Somerset (1663). Apesar de sua eficiência

duvidosa tem-se notícias de sua utilização no bombeamento de água das minas de carvão.

Resumidamente, a máquina de Savery consistia num grande cilindro de metal

preenchido de vapor, vindo de um ebulidor. Uma válvula interrompia a entrada de vapor,

enquanto o cilindro era resfriado com jato de água à temperatura ambiente. A partir desse

resfriamento, o vapor d'água se condensava formando vácuo no seu interior. Esse vácuo fazia

que, por um tubo controlado por outra válvula, fosse aspirada água de um posto distribuidor.

Um novo ciclo se iniciava quando outra descarga de vapor era introduzida, expulsando água

residual. Aparentemente, essa máquina servia ao propósito para o qual fora construída:

bombear água de minas de carvão, que se inundavam com freqüência devido a sua grande

profundidade; um de seus grandes problemas era como lidar com o vapor a alta pressão, e

consequentemente, alta temperatura. A falta de um resfriamento eficiente do cilindro deve ter

provocado uma série de acidentes desagradáveis, além, é claro de reduzir sua eficiência.

Como a criatividade está muitas vezes a serviço da necessidade, não se pode

falar da máquina de Thomas Newcomen (1712), sem falar antes do êmbolo de Denis Papin

(1690). Quando a água se condensava no interior do cilindro, o vácuo produzido movia o

êmbolo no sentido contrário. Na máquina de Savery esse movimento era provocado pela ação

da pressão atmosférica. Com a introdução de um êmbolo (criado por Papin) que se moveria

pela ação do vapor, estabeleceu-se uma assimetria entre o movimento de entrada do vapor

(rápido) e a influência da pressão atmosférica no retorno (lento).

Mas, um dos sérios problemas da máquina de Savery era como controlar a alta

temperatura do vapor d'água. Houve, então, um avanço da técnica introduzido por

Newcomen, que resolveu o problema incluindo um sistema de válvula que permitia a entrada

de vapor e água fria alternadamente, ou seja, o vapor era admitido por apenas um dos lados do

êmbolo, enquanto a água fria era injetada pelo outro lado, sendo o ar produzido na ebulição

expelido com a entrada do vapor.

Uma máquina a vapor bastante desenvolvida teve origem no trabalho de James

Watt. Pediram a Watt que reparasse um modelo de máquina de Newcomen que era usado em

aulas práticas na universidade. Ao familiarizar-se com o modelo, ficou impressionado com a

quantidade de vapor que era necessário para pôr a máquina em funcionamento. Watt procedeu

a uma série de experiências sobre o comportamento do vapor e chegou à conclusão de que o

maior problema estava relacionado com a temperatura das paredes do cilindro. Observou que

a máquina de Newcomen desperdiçava a maior parte do calor no aquecimento das paredes do

24

cilindro, que eram depois resfriadas sempre que a água fria era injetada para condensar o

vapor.

No início de 1765, Watt descobriu como se podia evitar este desperdício,

concebeu um tipo modificado de máquina a vapor, na qual o vapor contido no cilindro, depois

de efetuar o trabalho de empurrar o êmbolo, era admitido num recipiente separado para ser

condensado. Com este sistema, o cilindro podia manter-se sempre quente e o condensador

podia manter-se sempre frio.

A invenção da máquina a vapor de Watt, com condensador separado, superou a

máquina de Newcomen, estimulou o desenvolvimento de máquinas que podiam fazer muitos

outros trabalhos e/ou atividades fabris diversas, condução de locomotivas, barcos a vapor, e

assim por diante. Deu um estímulo enorme ao crescimento industrial na Europa e na América

e, portanto, ajudou a transformar a estrutura econômica e social da civilização ocidental.

O desenvolvimento em larga escala de motores e de máquinas revolucionou a

produção em massa de artigos de consumo, a construção e os transportes. O padrão de vida

médio na Europa Ocidental e nos Estados Unidos cresceu acentuadamente. Atualmente é

difícil imaginar como era a vida antes da industrialização. Mas, nem todos os efeitos da

industrialização foram benéficos. O sistema de fábricas do século XIX deu oportunidade a

alguns patrões gananciosos e sem escrúpulos para explorar os trabalhadores. Estes patrões

tiveram grandes lucros, enquanto mantiveram os empregados e suas famílias à beira da

miséria. Esta situação, que era especialmente séria na Inglaterra no princípio do século XIX,

conduziu a reinvidicações de reformas, através de novas leis, em que, os excessos mais graves

foram finalmente eliminados. À medida que as pessoas abandonavam os campos para

trabalhar nas fábricas, o conflito entre a classe trabalhadora, constituída por empregados e a

classe média, constituída por patrões e quadros dirigentes, tornou-se mais intenso; ao mesmo

tempo, alguns artistas e intelectuais começaram a atacar as tendências materialistas da

sociedade que viam tornar-se cada vez mais dominada pelo comércio e pela maquinaria. Em

alguns casos, confundiam a própria ciência com aplicações técnicas e denunciavam ambas

enquanto recusavam aprender algo sobre elas.

Embora as máquinas a vapor já não sejam muito utilizadas na indústria e nos

transportes, o vapor é ainda indiretamente a maior fonte de energia. A turbina a vapor,

inventada pelo engenheiro inglês Charles Parsons em 1884, substituiu largamente outros tipos

de máquinas a vapor mais antigas. Atualmente, é por intermédio de turbinas a vapor que

trabalham os geradores elétricos de grande parte das centrais elétricas dos países

desenvolvidos. E são geradores elétricos movidos a vapor que fornecem a maior parte de

25

energia para a maquinaria da civilização moderna. Mesmo nas centrais nucleares, a energia

nuclear é utilizada para produzir vapor que depois move as turbinas e os geradores elétricos.

O princípio básico da turbina de Parsons é mais simples do que o das máquinas de Newcomen

e Watt: um jato de vapor a alta pressão toca as pás de um rotor, fazendo-o mover a alta

velocidade.

3.3 Evolução dos conceitos de calor e de temperatura

Ápeiron era o princípio de todas as coisas, dessa massa primordial, que continha forças como o calor e o frio, emergia um núcleo, o embrião do universo. O frio e o úmido condensavam-se para formar a Terra e o seu invólucro de nuvens enquanto o quente e o seco formavam os anéis de fogo que conhecemos como a Lua, o Sol e as estrelas. O calor que se desprendia do fogo no céu secava a Terra e provocava a retração dos oceanos. Da morna camada de lodo acumulada sobre a Terra surgiu a vida, e das primeiras criaturas marinhas desenvolveram-se os animais terrestres, entre eles os seres humanos.

ANAXIMANDRO, (611-547 a.C.)

Apresentaremos a seguir as idéias e concepções dos principais pensadores,

obedecendo a uma ordem cronológica e buscando compreender como os conceitos de

temperatura e de calor se desenvolveram. Este estudo, ainda que breve, é adequado como

referência para a elaboração de atividades que envolvam a História da Ciência, pois facilitará

a elaboração ou adaptação de textos para os estudantes.

A origem do uso e domínio do fogo como fonte de calor, apesar de haver

controvérsias, é atribuído ao homo erectus, datado de cerca de 700.000 anos (SILVA, 1995 p.

33). Na filosofia Jônica, existia a crença de que na base de tudo havia um único elemento

responsável pelas diversas manifestações e transformações da matéria conhecida. Para Tales

(624-546 a.C.), esse elemento era a água, para Anaxímenes (586-525 a.C.) era o ar e para

Heráclito (535-470 a.C.) era o fogo. As explicações através de um único elemento se

mostravam insuficientes e Empédocles (492-432 a.C.) enunciou a teoria de quatro elementos

(água, ar, fogo e terra), indestrutíveis e eternos, que se uniam e se separavam mediante duas

forças: o amor e o ódio. Estes quatro elementos agregados ao éter (5o elemento) são adotados

por Aristóteles (384-322 a.C.) e triunfaram por vários séculos. No modelo aristotélico,

“quente” e “frio” eram qualidades opostas que, juntamente com “seco” e “úmido”,

combinavam-se duas a duas na constituição dos quatro elementos fundamentais. Para Leucipo

(500-430 a.C.) e Demócrito (460-370 a.C.), a matéria era composta por diminutos átomos e o

calor era atribuído aos átomos muito móveis que escapavam incessantemente dos corpos

muito quentes (SILVA, 1995).

26

Platão (427-347 a.C.) escreveu no Timeu que o fogo era um elemento, que

quando penetrava um corpo, colocava as partículas deste em movimento, o que por sua vez

iria fazer com que estas se separassem. Ao ser esfriado, afastando o corpo do fogo, o ar iria

expulsar o fogo e comprimiria novamente as partículas. Assim, distingue entre a causa, o fogo

que penetra na matéria, do efeito, o calor que seria o movimento das pequenas partes da

matéria (SCHURMANN, 1946).

A interpretação dessa passagem do Timeu de Platão, feita por outro autor

(AGABRA, 1986), é de que nela há uma distinção entre o conceito de calor e o de

temperatura. Isso, porém constitui um exagero, pois como veremos mais adiante, o termo

temperatura (ou correlato a ele) é apresentado por Galeno no século II (d.C.), isto é,

aproximadamente seis séculos após Platão, o que nos leva a concluir que para o pensador

grego havia apenas uma idéia, ou seja, o calor (e o seu "contrário": o frio). Calor e frio não

eram para Platão expressões relativas, pois segundo este a geada se forma a partir do sereno,

quando este perde o seu conteúdo de fogo, ou ainda, a neve se forma quando a água perde sua

porção fogo (SILVA, 1995).

Tanto na obra de Platão como na de Aristóteles (384-322 a.C.) há menções de

que o movimento produz calor. Para este último, porém, "o calor não é constituído a partir do

movimento, mas a partir do éter, excitado pelo sol ou pelas estrelas, produto do calor" (Apud

HOPPE, p. 126). Por outro lado, Poggendorft (Apud GILBERT, p. 220) nos diz que:

"Aristóteles considerava o calor (ou fogo) formado por partículas extraordinariamente

pequenas em movimento”.

Não há controvérsias de interpretações, pois a noção de movimento se refere às

partículas ígneas que constituíam o fogo, portanto, uma substância. Estas concepções foram

adotadas por muito tempo a partir do seu enunciado, tendo sobrevivido por toda a Idade

Média, com poucas modificações. As explicações de Platão e de Aristóteles eram tão aceitas,

que no final da Idade Média vamos encontrar na obra de Giordano Bruno (1548-1600) o uso

das idéias aristotélicas de forma já consagradas:

Mas, acaso existe algum corpo terrestre tão espesso que não tenha os seus poros insensíveis, sem os quais não seriam tais corpos divisíveis e penetráveis pelo fogo, ou pelo seu calor, que é uma substância? ( SILVA, 1995, p. 169).

Devemos dar destaque também a Galeno (129-200), que no tratado de

Medicina propõe a representação do calor e do frio por meio de uma escala de graus

numéricos. Nesta escala o ponto zero correspondia a um "calor neutro" que não era nem frio

27

nem calor. Como o único meio de "medida" era a sensação, Galeno havia determinado como

"calor neutro" à mistura de água fervendo e de gelo (CROMBIE, 1985 p.94). Para Galeno

havia no corpo humano uma mescla ou mistura de calor e de frio, que determinava, entre

outras causas, o estado de saúde do paciente. O grau neutro dessas duas substâncias

correspondia ao estado de saúde melhor. Mesmo não existindo o termômetro para realizar

medidas precisas, as idéias de Galeno foram adotadas por médicos árabes e latinos, que

inventaram uma escala de 0 a 4 graus de calor ou frio ampliada mais tarde para uma escala de

oito graus.

As influências dos trabalhos de Galeno foram marcantes em toda a medicina.

Sua obra foi considerada como o principal guia médico por muitos séculos, encontrando-se

até no séc. XVI considerações sobre o funcionamento do coração e a circulação do sangue

baseadas nas suas idéias (CROMBIE, 1985). Quando os tratados de Galeno foram transpostos

para o latim dos séculos XI e XII, a idéia de mescla ou mistura de graus de calor foi traduzida

pelo termo correspondente: tempera (temperatura). Assim, a idéia de temperatura é atribuída

primeiramente a Galeno, consistindo numa tentativa de estabelecer um padrão de medida para

a mistura entre o quente e o frio no corpo humano. Este padrão torna-se muito popular entre

médicos do ocidente, como a medida de calor ou frio.

Na obra de Lucrécio (aproximadamente. 95-55 a.C.) De Rerum Natura,

aparecem duas substâncias distintas, o calor que está no sol e o frio que está nos rios e

também o fogo, composto por uma substância sutil, que pode-se transferir-se pelos poros da

matéria. Interpretações feitas por autores ingleses do séc. XVIII atribuíam a Lucrécio a

consideração do calor como estado de movimento das moléculas, o que não parece ser exato,

devendo ser um exagero. A idéia de matéria produtora de calor e de matéria produtora de frio

é encontrada na obra de Gassendi (1592-1655), mostrando a permanência da filosofia antiga.

Até agora mostramos teorias que apresentaram o calor e o frio como

substâncias, o que levou à criação de um peso para o calor e um peso para o frio. Estas

concepções iriam persistir até o séc. XVIII. Em plena Renascença, essa representação é

encontrada em diversas obras, entre elas as de Gassendi, Boyle (1627-1691) e Galileu (1564-

1642). Experiências famosas foram realizadas pelo médico inglês George Fordyce em 1785,

para determinar se a água congelada apresentava mudança no seu peso. Também Sir

Benjamin Thompson, Conde de Rumford, (1753-1814) repetiu essas experiências em 1787,

mas só em 1799 apresentou um trabalho, cuja conclusão era de que todas as tentativas de se

observar efeitos do calor sobre o peso se mostraram inúteis ( BASSALO, 1992).

28

Voltando à questão central, foi Roger Bacon (1214-1294) em seu livro Opus

Majus que colocou a questão nova, ao considerar o movimento interno dos corpos como causa

do calor e diz que: "os esforços contrários das partículas constituem o calor."

(SCHURMANN, 1946). Desta forma, as concepções de calor expressas, devem ter uma

interpretação diferente da que possamos lhe dar, pois para HOPPE (1948) esta citação refere-

se ao modelo mecanicista do calor, mas parece não ser bem assim, já que Bacon fala de

movimento que produz o calor e não de calor que é movimento.

Kepler (1571-1630) considerava o calor como um estado de movimento das

partes dos corpos e Galileu, ao contrário, considerava-o como tipo de fluido, havendo o

quente, o frio, o úmido e o seco, de forma análoga às concepções de Aristóteles. Uma

concepção realmente nova, desde os escritos de Platão foi apresentada por Francis Bacon

(Lord Verulan; 1561-1626), no seu De Interpretatione Natural, de 1665, em que o calor não é

apresentado como um movimento de expansão, mas sim como um movimento vibratório das

partículas de um corpo.

Na obra Novum Organum (de 1620), Francis Bacon voltou a falar do calor

como movimento, deixando claro que o calor não produz ou gera movimento, mas "o próprio

calor ou algo do próprio calor é movimento e nada mais”. Sugere mais adiante que se estude a

natureza objetiva do calor, deixando de lado as aparências sensíveis, pois estas atrapalham as

concepções que se pode ter a respeito dos fenômenos térmicos (ROSSI, 1989, p. 130). Esta

postura deve se referir à prática ainda em voga, na época, de se usar as sensações táteis para

aferir valores de calor (tempera), pertinentes aos ensinamentos de Galeno.

A análise das idéias de Bacon e de Kepler pode suscitar a dúvida de que na

concepção do último, já havia a idéia de calor-movimento, o que invalidaria a afirmação de

que as de Bacon foram inovadoras. Porém, cabe assinalar que para Kepler o calor era um

efeito decorrente de uma propriedade da luz e que a luz tinha um aspecto material. Cabe

assinalar ainda que Kepler propôs essa idéia após Francis Bacon.

Contemporâneo de Kepler e Francis Bacon, Galileu (1564-1642) foi um

cientista arrojado e de idéias revolucionárias. Mas no que diz respeito às suas concepções de

calor, não praticou a ousadia que sempre lhe é atribuída. Foi no livro Il Saggiatore (O

Ensaiador) que Galileu apresentou as suas concepções sobre o calor. Neste, o sábio florentino

refutou ferozmente as idéias do padre jesuíta Horácio Grassi, que fizera várias críticas a seu

trabalho Discurso sobre o Cometa. O jesuíta em questão atacou as concepções aristotélicas e

Galileu tenta ridicularizar esse ataque, defendendo no que se refere ao calor as idéias de

Aristóteles. Segundo Galileu:

29

[...] fazem perceber o calor em nós, matérias que nós chamamos com o nome geral de fogo, sejam uma multidão de pouquíssimos corpos, com determinadas figuras [...]. Esses pequenos corpos encontram nosso corpo e o penetram com a sua maior sutileza, e o contato deles, realizado na passagem através de nossa substância é percebido por nós, resulta naquilo que nós chamamos de calor. (GALILEU, 1987, p.121).

O calor sempre foi considerado algo misterioso, mas, ao tempo da fundação da

Accademia del Cimento, as experiências estavam, pelos menos, dando os primeiros passos no

sentido de se elaborar uma concepção científica através da idealização de artifícios destinados

a medir a temperatura. O inventor do primeiro termômetro é desconhecido; pode ter sido

Galileu, o hermetista Robert Fludd, o físico holandês Cornelius Drebbel ou o físico italiano

Santorio Santorio. De qualquer forma, foi algum tempo antes de se verificar que uma escala

termométrica necessitava de dois pontos fixos para poder ser usada cientificamente – um

“ponto de congelamento” e um “ponto de ebulição”. Isso não surgiu antes do século XVIII,

quando Olé Römer imaginou tal instrumento, 1708, usando o álcool como líquido. Römer

empregou uma mistura de água e gelo, e depois, ao que tudo indica, uma mistura de gelo e

cloreto de amônio, para obter o zero. Para o ponto superior, ele tomou a temperatura da água

fervendo, e dividiu o espaço entre os dois em 60 graus.

O trabalho de Römer está hoje completamente esquecido, e o crédito para a

escala – ou antes, para uma modificação dela – é dado ao holandês Daniel Fahrenheit, que,

após uma visita a Römer em 1708, começou a produzir seus próprios termômetros. Parece que

Fahrenheit se enganou, de alguma forma, quanto aos detalhes da escala de Römer: por

exemplo, acreditou que o ponto fixo mais alto representasse a temperatura do sangue e não o

ponto de ebulição, mas compreendeu a necessidade de dois pontos fixos. Construiu seus

termômetros por métodos que ele acreditava serem os de Römer, e estabeleceu como 212

graus o ponto de ebulição da água; o zero de sua escala era o zero de Römer.

Duas outras escalas termométricas bem conhecidas apareceram no século

XVIII – a escala centígrada, ou de Celsius, e a de Réaumur. A primeira foi criada por Anders

Celsius e publicada pela real Sociedade Sueca em 1742; usava o ponto de ebulição da água

em uma extremidade (0 grau) e seu ponto de congelamento na outra (100 graus). Foi o

biólogo sueco Lineu que inverteu a escala para nos dar nossos atuais termômetros Celsius.

Mais ou menos na mesma época, René-Antoine Réamur fazia experimentações com um

termômetro de álcool. Observou que o álcool tem uma expansão da ordem de 80 partes por

mil quando vai do ponto de congelamento ao ponto de ebulição da água. Em 1730, produziu

30

então uma escala termométrica de 80 graus, muito utilizada durante algum tempo na França

Ocidental.

A termometria era uma tentativa de medir o grau de calor, mas o que era o

calor em si mesmo? Vários cientistas do século XVI e do XVII procuravam uma resposta

para essa pergunta. De modo geral, havia duas concepções principais: primeira, o calor se

devia às vibrações de partes de uma substância; segunda, o calor era um fluido

“imponderável”, embora o astrônomo e filosofo francês Pierre Gassendi tenha sugerido que

esse fluido comportava partículas frias e quentes cuja presença provocava o que se chama frio

e calor. Francis Bacon e Robert Hooke eram partidários da teoria da vibração, mas foi o

conceito do calor como substância imponderável que finalmente se tornou aceito – a teoria

“calórica”, como a chamavam os químicos franceses Lavoisier e Berthollet. A teoria do

calórico era baseada em alguns pressupostos básicos, tais como:

• O calórico é um fluido elástico que permeia as outras substâncias, sendo as suas

partículas atraídas pelas das outras substâncias e repelidas pela dele mesmo.

• O calórico é sensível às variações de temperatura, escoando de um corpo mais quente

para um mais frio, quando postos em contato térmico.

• Durante um processo físico, o calórico não pode ser criado nem destruído sendo,

portanto, conservado.

Esta teoria foi aceita pela grande maioria da comunidade científica da época.

No entanto, desde o início do século XVIII, alguns cientistas como Bacon, Newton e Hooke

começaram a manifestar a sua discordância com a teoria, pois entenderam que a mesma não

explica, de modo satisfatório, certos fenômenos como, por exemplo, a produção de calor

quando se atritam dois corpos. Para explicar os fenômenos térmicos como este, a idéia dos

opositores à teoria do calórico poderia ser expressa pela seguinte afirmativa de Newton: “O

calor consiste num minúsculo movimento de vibração das partículas” ( ROCHA, 2004).

Os defensores da teoria do calórico contra-argumentam a afirmativa acima

com a hipótese de que, por exemplo, o atrito sobre as substâncias faz com que o calórico seja

“espremido” para fora, havendo assim a produção de calor. Então, como vimos, havia os que

pensavam de modo diferente, e, ao fim do século XVIII, o americano Benjamin Thompson,

futuro conde Rumford, mostrou que sua experiência, ao construir canhões de ferro para o

príncipe da Baviera, indicava que o calor podia ser gerado pela fricção. Isso dificilmente

poderia ser incorporado pela teoria calorífica, e Rumford inclinou-se pela vibração. Após

algumas reflexões, o Conde Rumford concluiu:

31

E, meditando sobre este assunto, não devemos esquecer de considerar a mais considerável circunstância, de que a fonte de calor gerada pelo atrito nessas experiências parece ser evidentemente inexaurível. É desnecessário acrescentar que algo que qualquer corpo ou sistema de corpos isolados possa continuar a fornecer sem limitações não poderá ser provavelmente uma substância material; e a mim, me parece extremamente difícil, se não assaz impossível, formar qualquer idéia distinta de algo capaz de ser excitado e transmitido do modo como o calor o era nessas experiências exceto se for o movimento ( ROCHA, p.149).

Mas, a questão não foi resolvida senão na metade do século XIX, e mesmo

então físicos famosos, como William Thomson (Lorde Kelvin), ainda aceitavam a hipótese do

fluido imponderável.

Se a natureza do calor era principalmente um motivo de especulação, o

desenvolvimento da termometria estimulou outro trabalho quantitativo – a medição do calor,

qualquer que fosse sua natureza. O calor das misturas – água quente e água fria – foi

examinado, especialmente por Jean-Baptiste Morin e Georg Richmann, verificando que os

corpos perdem calor para o ambiente que os circunda e que quaisquer experiências de

medidas de temperatura deveriam levar esse fato em conta, além das perdas de calor nos

próprios aparelhos em que os corpos estão contidos. Essa advertência estimulou a busca de

uma maior precisão. No entanto, o trabalho mais significativo do século XVIII foi

apresentado pelo médico, químico e físico escocês e professor da Universidade de Glasgow,

Joseph Black. A grande contribuição de Black ao estudo do calor foi sua constatação de que

corpos de diferentes matérias têm diferentes capacidades de “armazenar” calor.

Anteriormente, fora sugerido que, quando todos os corpos estão com a mesma temperatura,

todos possuem a mesma quantidade de calor, mas Black não concordou. Declarou que, à

mesma temperatura, um bloco de ferro parece mais quente que um bloco de madeira de igual

volume, pois o ferro “possui mais calor”, isto é, sua “capacidade de ‘armazenar’ calor” é

maior. Isso o levou, a formular o conceito de “calor específico” – a capacidade de um corpo

de absorver calor -, e ele foi capaz de fornecer métodos experimentais para medir essa

grandeza. Black também estudou o calor necessário para mudar gelo em água ou água em

vapor. Experiências sobre esse tópico conduziram-no a propor um segundo conceito, que ele

chamou de “calor latente”, isto é, o calor necessário a um corpo para provocar a mudança de

estado. Eram ambas idéias importantes e conduziram a uma apreciação quantitativa daquilo

que, no princípio do século XVII, parecera um assunto insolúvel.

Portanto, foi no século XIX que se conseguiu desenvolver uma teoria

consistente em relação à natureza do calor, tendo início com as idéias do Conde Rumford, que

32

defendia uma teoria vibratória para explicar o calor gerado quando se perfurava um canhão,

tendo realizado uma série de experiências para tentar obter alguma espécie de resultado

quantitativo em apoio à sua idéia. Usando um cilindro de metal e um perfurador sem corte,

colocou dois cavalos arreados em condições de fazer o cilindro girar 34 vezes por minuto. Em

algumas experiências, o cilindro foi envolto em flanela para conservar o calor; em outras,

Rumford imergiu o cilindro em um tonel e descobriu que se gerava calor suficiente para

derreter blocos de gelo que estavam boiando no tonel ou fazer ferver a água. Em cada caso, o

suprimento de calor parecia inexaurível, e se tornou claro que o calor não poderia,

simplesmente, ser um fluido imponderável.

Depois da pesquisa de Rumford, coube ao francês Sadi Carnot levar o assunto

adiante. Carnot fez uma análise permanente e particularmente penetrante de máquinas que

produziam força mecânica com o calor, concentrando-se especialmente na energia e no calor

perdidos por um motor a vapor. Foi um estudo cuidadoso que permitiu a Carnot provar que

cada motor, de qualquer espécie, podia ser dividido em três partes constituintes; cada uma

possuía uma fonte de calor (no motor a vapor, era a fornalha), uma substância que conduzia o

calor (a água e o vapor no motor a vapor) e um recipiente para o calor (no motor a vapor, o

condensador). Ao passar da fonte para o recipiente, o calor passava de uma temperatura muito

alta para uma mais baixa, e o trabalho era realizado. A partir dos resultados dessa análise,

Carnot declarou que, uma máquina perfeita, em que nenhum calor se perdesse em seu

ambiente nem houvesse perda por fricção, nenhum calor ou calórico escaparia. O motor

realiza o trabalho mecânico devido à queda de temperatura e não à perda de calor. Em suma, a

idéia era que nenhum calor jamais é criado ou destruído; ele apenas muda de um corpo para

outro. Em um motor ideal, então, seria possível – ao menos teoricamente – levar o calor de

volta ao recipiente para a fonte, e tudo se daria como no princípio do processo. Em outras

palavras, na teoria, o ciclo do calor é reversível, embora, na prática, nunca seja assim.

Em seguida, na busca de uma teoria moderna do calor, surgiu James Joule, que

fez experiências sobre a constituição dos gases e estudou o trabalho realizado por um gás

quando se expande e o calor gerado quando se comprime – duas instâncias da relação entre

ação mecânica e calor -, e em 1847 descreveu o que agora se tornou uma experiência famosa.

Consistia em uma roda de pás mergulhada na água, e na mensuração do trabalho realizado

para girar a roda e das mudanças de temperatura do banho de água. A experiência forneceu

uma determinação precisa da quantidade de trabalho necessária para gerar uma quantidade

estabelecida de calor ou, como é usualmente chamado, o equivalente mecânico do calor.

33

Os resultados de

Joule foram aproveitados por

William Thomson, depois Lorde

Kelvin, que tentou determinar as leis

matemáticas apropriadas para

expressar o trabalho de Joule, e logo

verificou que, para formulá-las,

precisava de alguma escala de

temperatura absoluta, em vez de uma escala arbitrária, baseada apenas nos pontos de

congelamento e ebulição da água ou de outro líquido conveniente. Kelvin voltou-se para o

trabalho publicado por Carnot sobre o ciclo do calor e verificou que o trabalho mecânico

realizado por um motor perfeito, sem fricção, dependia apenas da quantidade de calor, bem

como das temperaturas da fonte e do recipiente de calor. Em conseqüência, tentou encontrar

uma escala de temperatura em que a unidade de calor e de trabalho mecânico desenvolvido

fosse sempre a mesma, em qualquer parte da escala em que a diferença de temperatura se

encontrasse. Tal escala deveria ser independente da substância utilizada ou do corpo em que a

mudança de calor estivesse ocorrendo. Para conseguir isso, Kelvin teve de esclarecer a relação

precisa entre o calor gerado na experiência de Joule (aquele sobre o qual falara Carnot).

Foi nesse ponto que entrou em cena Rudolf Clausius, que se tornou conhecido

por um artigo sobre a teoria do calor. Revivendo o trabalho publicado por Carnot sobre o

motor a vapor, Clausius verificou que Carnot havia se enganado quando pensara em um motor

que trabalharia somente porque seu calórico diminuía de temperatura. Ele concordava em que

o calórico não podia ser destruído, mas afirmava que ele poderia ser convertido em outra

coisa; por exemplo, em um motor, seria convertido em trabalho mecânico. Isso o levou a

formular duas leis para expressar a relação entre o fluxo de calor e o trabalho mecânico, as

duas primeiras leis da termodinâmica. A primeira declara que, em qualquer sistema fechado, o

total da energia é constante. A segunda diz que o calor não pode passar de um corpo mais frio

para outro mais quente espontaneamente; para que isso aconteça, alguma causa externa deve

entrar em operação. Essa última lei é muitas vezes expressa dizendo-se que a entropia sempre

aumenta, sendo a entropia (do grego “trope”, transformação) a medida da indisponibilidade de

energia.

O trabalho de Clausius contribuiu para provar que o calórico de Carnot e o

calor de Joule eram os mesmos, e Kelvin tinha agora a pista de que necessitava. A quantidade

de calor tirada de uma fonte e a absorvida pelo recipiente dependem da diferença de

Figura 6 – Experiência de Joule

34

temperatura entre a fonte e o recipiente. O que o recipiente de calor não absorve é convertido

em trabalho mecânico. Além disso, se o recipiente estiver à temperatura zero e assim

permanecer, não está tirando calor da fonte. Toda a energia está, então, disponível para se

converter em trabalho mecânico. Kelvin considerou o 0 grau em sua escala “absoluta” como o

ponto de congelamento da água, e 100 graus como o de ebulição; isso lhe deu um “zero

absoluto” de -273,1 graus centigrados.

O ponto zero absoluto da escala de Kelvin não é, de fato, atingível, devido ao

modo pelo qual os átomos são construídos. O trabalho de Clausius e de Kelvin tornou claro

que o calor não era nenhum misterioso fluido sem peso, mas sim uma forma de transferência

de energia. Assim também acontecia com o trabalho mecânico. Também se tornou evidente

que nenhuma forma de energia podia ser destruída, embora uma pudesse ser convertida em

outra. Dessa constatação, chegou-se ao princípio que se tornaria conhecido como da

conservação da energia, princípio esse que já fora formulado em 1847 pelo físico alemão

Hermann Von Helmholtz, mas ao qual Clausius e Kelvin deram um significado mais

profundo.

Tentamos nesse capítulo contar um pouco dessa história fascinante do

desenvolvimento da Termodinâmica, especificamente em relação aos conceitos de calor e de

temperatura, observando a contribuição de cada cientista e os obstáculos enfrentados na

construção do conhecimento científico.

O conteúdo aqui abordado tem relevância, em nosso estudo, na medida em que

forneceu subsídios para a elaboração de atividades que compõem nossa estratégia de ensino, a

qual passaremos a descrever a seguir.

35

4 METODOLOGIA E RESULTADOS

Rigorosamente, a importância de nossas tarefas tem que ver com a seriedade com que levamos a cabo, com o respeito que temos ao executá-las, com a lealdade ao sonho que elas encarnam. Tem que ver com o sentido ético de que as tarefas devem “molhar-se” com a competência com que as desempenhamos, com o equilíbrio emocional com que as efetivamos e com o brio com que por elas brigamos. (FREIRE, 2000, p.50.)

4.1 Questionário diagnóstico

Utilizando como referência trabalhos da literatura especializada, elaboramos

um questionário (ver ANEXO 1), objetivando diagnosticar as concepções alternativas

apresentadas pelos alunos em relação aos conceitos de calor e de temperatura. Esse

instrumento de diagnóstico foi aplicado, inicialmente, a 50 alunos de uma turma da segunda

série do ensino médio (2ª “E”) de uma escola pública da cidade de Mossoró (RN).

Apresentaremos a seguir os dados coletados com a aplicação do questionário,

reproduzindo abaixo todas as questões nele contidas (assinalamos com * a resposta correta

para cada questão):

1 – Associamos a existência de calor:

a) A qualquer corpo, pois todo corpo possui calor.

b) Apenas àqueles corpos que se encontram “quentes”.

c) A situações nas quais há, necessariamente, transferência de calor. *

Alternativas % de respostas

A 54,0

B 20,0

C 26,0

Com esse questionamento, observamos que a maioria dos alunos (74%) apresentou uma

concepção errada a respeito do que seria o calor, com ênfase principalmente na idéia de

que “qualquer corpo possui calor”.

36

2 – Para se admitir a existência de calor:

a) Basta um único corpo.

b) São necessários, pelo menos, dois corpos. *

c) Basta um único corpo, mas ele deve estar “quente”.

Alternativas % de respostas

A 42,0

B 10,0

C 48,0

Essa questão vem confirmar os dados obtidos no primeiro questionamento. Poucos alunos

da turma pesquisada atentaram para a questão do calor como uma forma de energia que se

transmite de um corpo para outro, ou seja, da necessidade de existir mais de um corpo

para que ocorra a transferência de calor. Fica clara, também, a associação do calor a

corpos “quentes”, em boa parcela das respostas.

3 – Dois objetos de mesmo material, porém de massas diferentes, ficam durante muito tempo

em um forno. Ao serem retirados do forno são imediatamente colocados em contato. Nessa

situação:

a) Passa calor do objeto de maior massa para o de menor massa.

b) Nenhum dos objetos passa calor ao outro. *

c) Passa calor do objeto de menor massa para o de maior massa.

Nesse terceiro item, embora muitos alunos tenham conseguido acertar a resposta, dando a

entender que têm conhecimento sobre equilíbrio térmico, a maioria dos alunos continuou a

apresentar uma concepção errada sobre o calor, e parece não compreender a noção de

equilíbrio.

4 – Os mesmos objetos da questão anterior são agora deixados muito tempo em uma

geladeira. Nessa situação, ao serem retirados e imediatamente colocados em contato:

a) Nenhum dos objetos possui calor.

Alternativas % de respostas

A 54,0

B 38,0

C 8,0

37

b) Passa calor do objeto de maior para o de menor massa.

c) Nenhum dos objetos passa calor ao outro. *

Alternativas % de respostas

A 54,0

B 16,0

C 30,0

Nessa questão parece que a noção de equilíbrio térmico persiste em um grupo

considerável de alunos, mas a idéia de que apenas corpos quentes possuem calor foi

evidenciada mais uma vez, pois a grande maioria dos alunos assinalaram que os objetos

não possuíam calor por estarem na geladeira, isto é, “frios”.

5 – Uma pessoa afirma que seu cobertor é bom, “porque impede que o frio passe através

dele”. Esta afirmativa é:

a) Correta

b) Errada *

c) Depende do material de que é feito o cobertor

Alternativas % de respostas

A 14,0

B 18,0

C 68,0

Nessa questão, os alunos parecem conceber o frio como uma substância, cuja passagem

seria evitada por um “bom cobertor”.

6 – Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e com a mesma temperatura,

ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que:

a) o corpo maior é o mais quente

b) o corpo maior cede calor para o corpo menor

c) não há troca de calor entre os corpos *

38

Alternativas % de respostas

A 62,0

B 22,0

C 16,0

Com os dados coletados nessa questão fica evidente que a maioria dos alunos

desconhecem a idéia de equilíbrio térmico, que tem uma importância fundamental para a

compreensão correta dos conceitos de calor e de temperatura.

7 – Um estudante descalço, em uma sala de piso cerâmico, coloca seu pé esquerdo

diretamente sobre a cerâmica e seu pé direito sobre um tapete aí existente. É correto afirmar

que:

a) A temperatura do tapete é menor do que a da cerâmica.

b) O tapete e a cerâmica estão a uma mesma temperatura. *

c) A temperatura da cerâmica é menor do que a do tapete.

Alternativas % de respostas

A 30,0

B 14,0

C 56,0

Essa questão confirma o resultado do item anterior, ou seja, os alunos desconhecem a

noção de equilíbrio térmico. Evidencia, ainda, o peso da “sensação térmica” do contato

com os objetos na avaliação – errada – da temperatura dos mesmos.

8 – Observe os desenhos e responda qual a temperatura do corpo C, em cada situação:

1) tA = 40ºC tB = 40ºC 2) tA = 40ºC tB = 60ºC

TC = ? TC = ?

39

9 – Observe o desenho e responda qual a temperatura dos corpos B e C.

TB = ? TC = ?

Temperaturas do

Corpo B (TB)

% de respostas

40ºC * 52,0

20ºC 28,0

Outros valores 20,0

Embora nas questões anteriores os alunos não tenham demonstrado conhecer noções sobre

equilíbrio térmico, em se tratando dos questionamentos de número 08 e 09, os resultados

foram bem satisfatórios. Ainda assim, menos da metade dos questionados acertou o item 2

da questão 8, certamente mais difícil que o item 1. Há um número significativo de alunos

que somam as temperaturas ou as dividem entre os corpos, não compreendendo o caráter

intensivo dessa grandeza.

Após análise dos dados coletados, através da aplicação dos questionários,

constatamos que a maioria dos alunos pesquisados possui a concepção de calor como sendo

Temperaturas

(situação 2)

% de respostas

50ºC * 42,0

100ºC 24,0

Outros valores 34,0

Temperaturas

(situação 1)

% de respostas

40ºC * 70,0

80ºC 20,0

Outros valores 10,0

Temperaturas do

Corpo C (TC)

% de respostas

40ºC * 52,0

20ºC 28,0

Outros valores 20,0

40

uma substância, algo contido em cada corpo e, especialmente, naqueles corpos que se

encontram “quentes”. Isso ficou evidente ao analisarmos as respostas à segunda questão, em

que um número grande de alunos admite que, para existir calor, basta um único corpo.

Outro aspecto observado é que os alunos compreendem o calor como sendo

diretamente proporcional à temperatura; os corpos quentes possuem calor, os que estão

submetidos a uma baixa temperatura, por exemplo, abaixo de zero grau, para a maioria dos

alunos não possuem calor. Os estudantes também não atentam para a questão do equilíbrio

térmico. Essa constatação ficou clara ao analisarmos a questão de número sete (07) do

questionário.

Portanto, após análise dos dados coletados, identificamos algumas concepções

alternativas apresentadas pelos alunos pesquisados em relação aos conceitos de calor e de

temperatura, listadas a seguir:

- calor como sendo uma substância;

- o calor como algo dependente da temperatura;

- o calor existe apenas nos corpos quentes;

- temperatura como característica do material.

- ausência da noção de equilíbrio térmico.

Essas concepções constatadas nos alunos pesquisados estão de acordo com a

literatura, que descreve três características principais das concepções de calor e temperatura

apresentadas por estudantes, que estão intimamente relacionadas à forma como nos

expressamos sobre esses fenômenos na vida cotidiana: calor é uma substância; existem dois

tipos de calor (o quente e o frio) e que o calor é diretamente proporcional à temperatura

(ZYLBERSZTAJN, 1983; SILVA, 1995; MORTIMER, 1998).

4.2 Estratégia de ensino

[...} não basta enunciar a concepção correta para que os desvios sejam corrigidos; é necessário abalar as certezas, desautorizar o senso comum. E para isso nada melhor do que demonstrar a falsidade daquilo que é tido como obviamente verdadeiro demonstrando ao mesmo tempo a verdade daquilo que é tido como, obviamente falso. Meu objetivo,... foi o de polemizar, abalar, de se instalar, inquietar, fazer pensar.

Dermeval Saviani

Partindo do princípio de que vivemos em um mundo globalizado, altamente

tecnológico e em constante transformação, considerando que o ensino de Física, em nível

médio, tem como finalidade permitir ao educando a decodificação e o agir consciente como

41

cidadãos pensantes, críticos e produtivos neste mundo real, torna-se necessário uma mudança

de atitude do professor frente à metodologia a ser utilizada em sala de aula, que passa entre

outros fatores pela produção e/ou adaptação do material didático a ser trabalhado, ou seja,

requer uma mudança na postura didático-pedagógica do professor. Essa mudança de postura

deve ser flexível e acompanhar as transformações sociais e que venham atender o indivíduo

em sua formação plena. O professor deve ter a compreensão de desenvolver em seus alunos

habilidades e competências que possibilitem ao mesmo a capacidade de torna-se um agente de

transformação social; e que este conhecimento deve ser utilizado no seu desenvolvimento

sócio-cultural e pessoal. O aluno deve apropriar-se dos conhecimentos da Física e aplicar

esses conhecimentos para explicar o funcionamento do mundo natural, executar e avaliar

ações de intervenção na realidade natural, aplicando conhecimentos físicos na escola, no

trabalho e em outros contextos importantes para a vida.

Com atenção a esses princípios, bem como aos nossos pressupostos

apresentados no capítulo 2, estruturamos um curso de Termodinâmica, para o nível médio,

utilizando como base o texto do GREF (Grupo de Reelaboração do Ensino de Física). Isso,

por si só, representa uma opção metodológica diferenciada, em relação ao que muitas vezes

vemos estar presente no ensino médio da Física. O GREF privilegia aspectos relacionados ao

mundo vivencial dos alunos, favorecendo a contextualização do conhecimento.

Além do texto, elaboramos e aplicamos um conjunto de atividades. A

estratégia de ensino é constituída por atividades teóricas, experimentais, e por material

didático especificamente selecionado em virtude dos objetivos a serem alcançados com o

trabalho de pesquisa. A seguir apresentaremos as atividades desenvolvidas durante o curso de

Termodinâmica.

As atividades abaixo relacionadas estão na ordem em que foram trabalhadas.

Essa seqüência foi definida de acordo com os conteúdos a serem ministrados, que estão

contidos na Proposta Pedagógica da Escola.

Esta atividade tem como finalidade reconhecer a Termodinâmica como uma

construção humana e sua relação com o contexto cultural, social e econômico do período

histórico em que a Revolução Industrial se consolidou, bem como utilizar a história da ciência

Atividade 1 - Discussão sobre a Revolução Industrial e sua importância para o

desenvolvimento da Termodinâmica.

42

como instrumento facilitador para a compreensão da construção e desenvolvimento da

Termodinâmica. Utilizamos um texto construído por nós, baseado no livro “Civilização

Ocidental”, de Marvin Perry, que trata da relação entre a Revolução Industrial e a evolução da

Termodinâmica, através do desenvolvimento da máquina a vapor (como esse texto reproduz

uma série de informações já apresentadas no capítulo 3, resolvemos colocá-lo no ANEXO 2).

Os alunos foram divididos em grupos, para que fizessem a leitura do texto e,

em seguida, foi feita uma discussão no grande grupo, seguindo um roteiro previamente

elaborado pelo professor:

Questionamentos

� O que compreende por Revolução Industrial?

� De que inovação tecnológica fala o texto que está relacionado com a

termodinâmica? Ela surgiu espontaneamente ou por necessidade?

� A Revolução Industrial no século XVIII trouxe alguma implicação negativa

para o meio ambiente? E atualmente, o processo de industrialização afeta o

meio ambiente?

� Compreendem a existência da relação entre ciência, a técnica, a economia e a

política? Comente, apresentando exemplo.

Finalizando a atividade os alunos realizaram uma pesquisa e confeccionaram

três painéis: utilizando recortes de jornais, revistas, fotografias, frases, textos e/ou poesias; que

retrataram os temas abaixo relacionados:

� Revolução Industrial e a Termodinâmica

� Brasil do século XVIII e a Termodinâmica

� Termodinâmica e Meio ambiente.

Como foi a primeira atividade a ser desenvolvida, criou-se toda uma

expectativa em torno da aplicação da mesma, portanto os alunos foram receptivos e

conseguimos fazer um bom trabalho. Um ponto facilitador das discussões, bem como do

desenvolvimento da atividade como um todo foi que eles haviam estudado sobre a Revolução

Industrial na disciplina de História, o que facilitou em muito o andamento da atividade.

Apresentavam um bom conhecimento sobre a Revolução Industrial e facilmente conseguiram

relacionar a importância das máquinas térmicas como instrumento que facilitou e acelerou

esse processo de industrialização que estava acontecendo na Inglaterra. Despertaram ainda,

para a questão de que as máquinas térmicas não surgiram por acaso, mas para resolver uma

43

Atividade 2 – Entrevista com o calor

situação real, e que as pessoas que as construíram inicialmente, não se preocupavam com o

conhecimento científico, ou simplesmente não o tinham. No entanto, isso não foi obstáculo

para que as máquinas fossem construídas.

Outro dado, que consideramos importante foi a relação que os alunos fizeram

entre o desmatamento ocorrido nas florestas inglesas e as agressões ao meio ambiente que

ocorrem atualmente, em todo o planeta, inclusive no Brasil, em nome do progresso.

O objetivo dessa atividade foi proporcionar aos alunos um maior

aprofundamento sobre o que é o calor, do ponto de vista do conhecimento científico, de uma

maneira mais prazerosa, sem, contudo, banalizar o conhecimento. Foi entregue aos alunos um

texto de Maurício Pietrocola e Aníbal Figueiredo chamado Um “interrogatório” com o calor

e a partir do texto os alunos fizeram a leitura e algumas adaptações. Foi escolhido um aluno

para representar a figura do calor, um para ser o coordenador da entrevista e outros para serem

os entrevistadores. A sala de aula foi preparada como se fosse um estúdio de TV e os demais

alunos estavam presentes como platéia. Todo o desenvolver e planejamento da atividade

ocorreu com a participação dos alunos e do professor, não foi uma atividade levada pronta

para a sala de aula, e sim construída.

DESENVOLVIMENTO DA ATIVIDADE

COORDENADOR:

- No dia-a-dia, usamos com freqüência a palavra calor. “Estou com calor!”, “ o calor hoje está

demais!” principalmente aqui em Mossoró, mas, também falamos: “o frio hoje está demais!”

“Estou morrendo de frio!”. Então, O calor e o frio seriam mesmo elementos opostos de

mesma natureza? Seriam essas duas “coisas” responsáveis por parte de nosso mau tempo? E o

que são o frio e o calor? Portanto, com essa entrevista queremos retirar as nossas dúvidas a

respeito desse misterioso ente físico.

ALUNO A:

- Qual o seu nome?

ALUNO X: (representando o calor)

44

- Calor.

ALUNO B:

- Então é você que provoca as secas, algumas queimadas e outros tantos acontecimentos?

ALUNO X:

- É ... mas também sou responsável pelas chuvas...

ALUNO C:

- Como? Quer dizer que é você culpado pelas cheias, pelas enchentes do Rio Mossoró?

ALUNO X:

- Sim. No fundo, sou.

ALUNO D:

- Tentamos marcar essa entrevista com você e o frio juntos, mas, como pode ver, ele não

apareceu.

ALUNO X:

- Eu sabia que ele não viria.

ALUNO D:

- Como você sabia? Ele o avisou?

ALUNO X:

- Não, não... Ele não existe! Nunca existiu! Na verdade, sou o responsável pelas geadas, pelas

tempestades de neve e pela névoa que raramente cai aqui em Mossoró.

ALUNO E:

- O quê? Como você pode esquentar e esfriar?

ALUNO X:

- posso explicar como tudo acontece. Mas talvez fosse melhor começar por um caso em

particular. Você já deve ter se esquentado, pela manhã, com a chegada dos primeiros raios

solares, não é?

ALUNO E:

- Sim, claro. Principalmente nas manhãs de período chuvoso.

ALUNO X:

- E também já deve ter pego um dia de inverno, com o céu encoberto, em que sentiu os pés

esfriarem.

ALUNO E:

- Claro que sim.

ALUNO X:

45

- Pois bem, sou o responsável por essas situações. Chego diariamente em grande quantidade

na Terra, vindo do Sol. Na verdade uma grande estrela, cuja superfície apresenta uma

temperatura de 6000 ºC.

ALUNO F;

- Se você vem de um lugar em que a temperatura é tão alta, é natural que você possa

esquentar. Mas e sobre as geadas e a sensação de frio? Como isso é possível?

ALUNO X:

- É que o Sol não me envia sozinho, mas em “bandos”. Todos nós aquecemos, mas alguns

fazem outras coisas além disso. Uns vêm com a função de colorir o mundo na forma de luzes.

Outros não são visíveis como a luz, mas têm a capacidade de esquentar muito a pele humana,

como a radiação infravermelha. E ainda há a radiação ultravioleta, que em excesso pode fazer

mal aos seres vivos, pois pode modificar o código genético das células.

ALUNO F:

-Quer dizer que você e a radiação solar são a mesma coisa?

ALUNO X:

- Nesse caso, sim. Mas nem sempre isso ocorre...

ALUNO F:

- Afinal de contas, quem é você? Ou melhor, o que é você? E como pode produzir geadas e

frio...

ALUNO X:

- Desculpe se estou complicando as coisas. Vou tentar explicar melhor. Na realidade, as

pessoas me associam com as mudanças de temperatura dos corpos, mesmo que isso nem

sempre seja verdade. Quando uma chama aquece uma panela com água, por exemplo, dizem

que estive lá. O mesmo ocorre se no lugar da chama for colocado carvão em brasa...

ALUNO G:

- Lembro de alguns relatos antigos, nos quais as pessoas afirmavam que, ao pôr um corpo

quente em contato com um frio, havia passagem de um fluido do primeiro para o segundo.

Então, você é esse tal fluido!

ALUNO X:

- Essas histórias são muito antigas. As pessoas nem se lembram mais delas.

ALUNO G:

- Não é bem assim... Muita gente ainda se lembra disso. Acreditava-se que você se escondia

no fogo e de lá seguia para toda a vizinhança, esquentando tudo ao seu redor. Havia até quem

46

dissesse que, ao se instalar nos corpos, você aumentava o “peso” deles. Você era chamado por

alguns de calórico.

ALUNO X:

- Tudo engano. Não sou um fluido nem nada de material. É que as pessoas são curiosas e, ao

tentarem compreender os fenômenos envolvendo as sensações térmicas de quente e frio,

usavam informações e idéias disponíveis na época. Percebiam que, ao receber calor, uma

barra de ferro dilatava um pouco e concluíam que a dilatação ocorria porque o ferro ganhara

algo. Esse “algo” deveria ser um tipo de matéria e, portanto, o corpo aquecido tinha seu

“peso” aumentado.

ALUNO H:

- É, e depois pararam de falar nesse tal calórico.

ALUNO X:

- Pararam porque, entre outras coisas, ao “pesarem” alguns corpos que ganhavam calor viram

que o “peso” não variava.

ALUNO H:

- Esse resultado deve ter sido inesperado. Como os estudiosos da época reagiram a isso?

ALUNO X:

- A natureza é cheia de surpresas. A todo momento ela nos desafia, exigindo novas idéias. A

reação de muitos foi abandonar a idéia de fluido e adotar outra. Outros insistiam na existência

do calórico, porém, como um fluido sem massa.

ALUNO F:

- Tudo bem. Já entendi como você esquenta as coisas e que não é um fluido. Mas estou

ficando irritado com sua má vontade em responder minha pergunta: como consegue fazer

gelo?

ALUNO X:

- Espere um pouco. Não falei isso. Afinal, não sou uma geladeira (risos). Disse que também

sou responsável pelas coisas frias. Mas é por omissão!

ALUNO F:

- Por ação ou por omissão, para mim dá no mesmo! Pode explicar, por favor.

ALUNO X:

- Pois bem. Vamos voltar à radiação solar. Qualquer uma das radiações, ao ser absorvida

pelos objetos, aumenta a vibração de suas moléculas. É uma magnífica transformação de

energia! Essa vibração que as moléculas ganham provoca o aumento de temperatura do corpo.

ALUNO F:

47

- Muito interessante...

ALUNO X:

- Ao ficarem quentes, os objetos transformam-se numa eficiente fonte de calor.

ALUNO F:

- Tudo bem, só que você ainda não explicou como pode esfriar as coisas.

ALUNO X:

- Estou chegando lá. Se o Sol não enviasse uma quantidade enorme de radiação para a Terra,

de onde as moléculas da superfície terrestre ganhariam energia para vibrar? Se não vibrassem,

permaneceriam frias. Quanto menos vibrarem, mais baixa será a temperatura do corpo que

elas constituem. Ou seja, o corpo que não ganhar calor permanecerá gelado.

ALUNO F:

- E os objetos que já estão quentes?

ALUNO X:

- Pois é... Os corpos que já se encontram com temperatura elevada podem esfriar ao perder

calor, isto é, ao cedê-lo para a vizinhança.

ALUNO I:

- É um verdadeiro crime de omissão deixar essas moléculas com pouco ou sem movimento

algum!

ALUNO X:

- Não é possível contentar todos ao mesmo tempo!

ALUNO J:

- Que dizer que o frio não existe?

ALUNO X:

- Isso mesmo. O que existe é o calor, uma maravilhosa sensação que você sente na própria

pele! Minha ausência deixa os corpos frios.

COORDENADOR:

- Obrigado a todos pela presença.

Durante a atividade, era impressionante o grau de concentração e compromisso

com que os alunos conduziram o desenvolvimento da mesma. Era visível o quanto a atividade

tinha sido bem aceita. Alguns alunos comentavam que iriam sugerir a referida atividade para

os professores de História e Filosofia, pois, acreditavam que daria certo também. No nosso

caso, acreditamos que a atividade cumpriu a sua finalidade, pois com certeza, os estudantes

aprofundaram seus conhecimentos em relação ao estudo do calor e ao mesmo tempo, que

48

Atividade 3 – Experiência: condução de calor e condutividade térmica

continuavam motivados a aprender e a descobrir mais coisas a respeito dos conceitos de calor

e temperatura. O conhecimento não estava sendo imposto aos alunos, mas, estava

acontecendo uma construção coletiva contínua e gradativa.

A condução do calor é um processo de transmissão que se manifesta com

maior intensidade nos sólidos, embora os gases e os líquidos também conduzam o calor.

Verificamos ainda, que alguns metais são melhores condutores de calor do que outros.

Material utilizado:

- dois fios metálicos, de mesmo diâmetro e de metais diferentes

- lamparina a álcool

- vela ou cera de mel de abelha

- suporte

- percevejos, brochas, etc.

Procedimento:

Utilizamos para realizar a experiência, dois fios de mesmo diâmetro e de

mesmo comprimento, um fio de cobre e outro de alumínio. Enrolamos uma das extremidades

dos fios entre si. Em seguida, utilizando a cera prendemos as brochas ao longo dos pedaços

livres dos fios de cobre e alumínio num intervalo máximo de 2 cm..

Com o auxílio do suporte, prendemos a barra horizontalmente e com a chama

da lamparina aquecemos a extremidade dos fios em que se encontravam enroladas entre si.

Resultado observado:

Observou-se que a cera ia-se derretendo e as brochas iam caindo a partir da

extremidade aquecida.

Explicação:

Quando se aquece a extremidade dos fios de metais aumenta-se o estado de

agitação dos átomos do metal. Essa agitação ou vibração se transmite aos átomos vizinhos e

vai-se propagando gradativamente por todo o fio. Esse é o modelo explicativo da transmissão

de calor por condução. Quando o calor atinge a cera em que está presa a brocha ela se derrete

e a brocha cai. Verifica-se que as brochas caem sucessivamente a partir da extremidade

aquecida, evidenciando-se o sentido da condução do calor. Observando que em um dos metais

ela comecará a cair antes.

Questionamentos:

49

Atividade 4 – Experiência: calor específico

1) O que foi observado?

2) Por que isso acontece?

3) O tempo necessário para que o calor atinja a cera onde está presa cada brocha. É

pequeno ou bem maior do que se espera? Por quê? E, esse tempo é igual para os dois

fios?

4) Por que os cabos das panelas são de plástico ou de madeira?

Os alunos ficaram empolgados com essa atividade, principalmente no

momento que as brochas começaram a cair Então, eles tentaram buscar explicações para o que

estava acontecendo e chegaram à conclusão de que algo tinha sido transmitido através dos

fios e que mais rapidamente no fio de cobre. Após os questionamentos e discussões,

explicamos para os alunos que, à medida que recebem calor da chama, os átomos ou

moléculas da estrutura cristalina do metal vibram mais intensamente. Esse movimento

vibratório se transmite de átomo para átomo, de molécula para molécula, em interações

sucessivas. Através dessas interações, a energia cinética de cada partícula é transferida a outra

– essa transferência de energia cinética é a transferência do calor.

Material utilizado:

- bola de sinuca e chumbadas de rede de pesca.

- 2 béqueres

- água

- 2 copos grandes de vidro

- termômetro.

Procedimento:

1. Coloque a mesma quantidade de água nos dois béqueres. Depois acrescente a um béquer a

bola de sinuca e ao outro as chumbadas.

2. Leve os béqueres ao fogo, deixando a água de cada um ferver por cerca de 5 minutos.

3. Enquanto a água ferve, coloque água até a metade em outros dois copos.

50

Atividade 5 – Diferenciação dos conceitos de calor e temperatura

4. Após a fervura, retire a bola de sinuca e coloque-a em um dos copos que você colocou

água até a metade.

5. . Retire também as chumbadas e coloque-as no outro copo.

6. Depois de aproximadamente 3 minutos, veja qual dos copos tem água mais quente. Para

isso, use um termômetro.

Conclusão:

Com esta atividade os alunos em sua grande maioria, verificaram que a bola de

sinuca apresentava calor específico maior do que as chumbadas. A idéia era a seguinte: como

foi elevada a temperatura dos dois materiais a 100ªC, assim, o que precisou ganhar mais calor

para chegar aos 100ªC liberou mais calor quando colocado em água fria. No copo em que a

água ficou mais quente estava o material de maior calor específico.

No entanto, um grupo de alunos, argumentou o seguinte, e se a experiência for

feita com corpos de mesmo material e massas diferentes, o que irá ocorrer? Ao planejarmos a

atividade, não tínhamos pensado nessa hipótese, acreditávamos que poderia surgir dúvida em

relação ao volume, mas, não em relação a massa. Então, o grupo foi convidado a repetir a

experiência, utilizando um mesmo tipo de material, no caso, as chumbadas, e em seguida

deveria apresentar o resultado a turma, realizaram o experimento, e concluíram que existe

uma relação entre a massa e a quantidade de calor absorvida e a liberada, pois, o corpo de

maior massa, provocou um aquecimento maior da água. Mas, o calor específico era o mesmo,

pois, o material era o mesmo, portanto, teria uma outra grandeza envolvida, que seria a

capacidade térmica.

Esta atividade é proposta por Silva (1995), que estudou as trajetórias

cognitivas de alunos no ensino da diferenciação dos conceitos de calor e temperatura. A

atividade é muito interessante, pois, através do texto procura-se deixar bem claro a diferença

entre os dois conceitos, embora exista uma relação entre ambos. Portanto, resolvemos

trabalhar esta atividade por a mesma esta de acordo com os objetivos de nosso trabalho de

pesquisa.

Na aula que antecedeu a atividade foi pedido aos alunos que fizessem a

leitura em casa do texto: “Diferenciação dos conceitos de Calor e Temperatura”

(SILVA,1995) para facilitar a discussão em sala de aula. No desenvolvimento da atividade,

51

inicialmente a turma foi dividida em grupos, para que fizessem a leitura do texto e se

preparassem para o debate no grande grupo. Mas, agora, os grupos fariam a leitura do texto

com um roteiro contendo alguns questionamentos que serviriam como base para a discussão

final com todos os grupos.

Questionamentos:

1. Em seu dia a dia como utiliza os conceitos de calor e de temperatura? Acredita que são a

mesma coisa?

2. De acordo com Black: "Se fosse suficiente uma quantidade muito pequena de calor

transmitida pelo ar, na primavera, para reduzir em água imensas quantidades de gelo e

neve, formados ao longo do inverno, assim a fusão seria operada em poucos minutos e

inevitavelmente iria produzir inundações catastróficas". O que Black quer desmistificar

com isso? Você concorda com ele?

Texto: Diferenciação dos conceitos de Calor e de Temperatura

É comum usarmos os conceitos de calor e de temperatura como sinônimos,

quando são empregados indistintamente: “hoje está muito calor”, “ele queimou a mão porque

a panela passou temperatura” etc. Ainda, para complicar mais se usa os dois conceitos como

propriedade de algo: “O piso de cerâmica é frio”, “carne gordurosa é muito quente” etc.

Este contexto sintetiza o pensamento espontâneo encontrado nas falas de

muitas pessoas (mesmo as escolarizadas!), e uma rápida olhada na história da ciências permite

reconhecer idéias semelhantes em pensadores da antigüidade. De fato, o conceito de calor era

entendido na Grécia antiga por Aristóteles (384-322 a.C.) como sendo uma substância que

permeava a matéria ou ainda para Platão (427-347 a.C.) o fogo era um elemento que ao

penetrar na matéria, colocava as partículas do corpo em movimento, e para ser esfriado, o ar

iria expulsar o fogo e comprimir novamente as partículas. Já o conceito de temperatura surge

nos tratados do célebre médico Galeno (129-200), o qual afirmava que no corpo humano há

uma mescla (mistura) de calor e de frio e que o homem são possui quantidades iguais desses

elementos, sendo que os estados de doença eram determinados pelo desequilíbrio dessa

quantidades. Quando se traduziu as obras de Galeno para o latim, a palavra mescla foi

traduzida pela equivalente: temperatura. O sucesso desses tratados médicos e a conseqüente

repercussão alcançada fizeram aparecer a palavra temperatura, nos discursos de todos os

cientistas que vieram depois.

52

Assim temperatura por muito tempo passa a representar a medida do calor, o

que significava que os dois conceitos expressavam a mesma idéia. No século XVI, Francis

Bacon (1561-1626), propõe uma nova concepção do calor, qual seja, de que o calor era o

movimento vibratório das partículas de um corpo. Esta nova idéia é geradora de uma também

nova corrente de pensamento na Física, da teoria mecânica do calor, a qual irá ser

desenvolvida e modificada nos 200 anos seguintes, configurando como a mais aceita hoje em

dia, em detrimento da anterior que reconhecia o calor como substância.

Voltando ao propósito central deste texto, para todo cientista e pensador dos

séculos XVI e XVII, calor e temperatura eram conceitos idênticos, mesmo sendo adeptos de

uma ou de outra teoria. O aperfeiçoamento do termômetro no século XVIII, por Daniel

Fahrenheit (1686-1736), permite que se possa medir a temperatura de forma muito precisa,

reforçado a idéia de que os conceitos eram iguais.

Foi só em 1760 que Joseph Black (1728-1799), realiza experiências muito

precisas para medir os pontos de ebulição da água e de fusão do gelo, observado que mesmo

estando a fornecer calor para uma massa de água ou de gelo, nestes pontos a temperatura não

se altera, o que implica em distinguir os dois conceitos. Nas palavras do próprio Black:

"A fusão está universalmente considerada como produzida por uma pequena

adição de uma quantidade de calor a um corpo sólido, quando ele é aquecido até o seu ponto

de fusão e o retorno de tal corpo para o estado sólido depende de uma pequena diminuição da

quantidade de calor após ele ter esfriado de um mesmo número de graus. Acreditava-se que

esta pequena adição de calor ao corpo não fazia necessariamente o aumento de um pequeno

valor na temperatura de um corpo, indicada pela medida de um termômetro, colocado no

líquido resultante. [...] encontrei uma razão para desaprová-la, como inconsistente em relação

a muitos fatos observáveis quando atentamente considerados. [...] Quando o gelo ou outra

substância é fundida, eu penso que ele recebe uma grande quantidade de calor, maior que

aquela que é perceptível nele, imediatamente depois por meio de um termômetro. "Uma

grande quantidade de calor penetra a substância naquela ocasião sem aparentemente fazê-lo

mais quente. Este calor, contudo deve ser introduzido para lhe dar forma de líquido e eu

afirmo que esta maior adição é a principal causa da liquefação produzida”. Em outro trecho da

obra ele usa um argumento simples e convincente: "Se fosse suficiente uma quantidade muito

pequena de calor transmitida pelo ar, na primavera, para reduzir em água imensas quantidades

de gelo e neve, formados ao longo do inverno, assim a fusão seria operada em poucos minutos

e inevitavelmente iria produzir inundações catastróficas" (extraído da obra Lectures on the

Elements of Chemistry, de 1803).

53

Para entendermos o que Black quer dizer com estas palavras, devemos conotar

que o fato do gelo se fundir a uma temperatura constante já era conhecido, mas se acreditava

que uma pequena quantidade de calor era suficiente para transformar muito gelo em água

líquida. Black argumenta o contrário. Outro ponto importante é o cuidado que devemos ter

com as palavras do autor, pois ele foi um adepto do modelo substancialista do calor.

Após a aceitação da teoria mecânica (ou cinética) do calor, passou-se a

relacionar temperatura ao grau de agitação das partículas de um corpo, sendo uma medida

média e macroscópica, tendo relação com o calor, mas não sendo a mesma coisa. Por fim, o

calor, após o estabelecimento da teoria mecânica será entendido como a energia que é

transferida de um corpo a outro, devida uma diferença nos valores de temperaturas dos

corpos. Quando esta energia é recebida, fará aumentar a energia cinética das partículas do

corpo que recebeu.

DESENVOLVIMENTO E CONCLUSÃO DA ATIVIDADE

Após a leitura do texto tentamos fazer com que os alunos despertassem através

das discussões para o aspecto que Black tenta provar no seu texto: a ruptura com a crença de

que para fundir, por exemplo, um bloco de gelo, seria necessário o fornecimento de uma

pequena quantidade de calor, pois como a temperatura não variava durante o processo, se

acreditava que esta fosse a medida do calor. Então essa pequena quantidade iria acrescentar

uma dimensão desprezível na temperatura. Black tenta provar que muito pelo contrário, é

necessário uma grande quantidade de calor, pois era fato conhecido a constância do valor da

temperatura durante a mudança de estado de algumas substâncias. Além de fazer com que os

alunos pudessem discutir em grupos suas concepções sobre os conceitos de calor e

temperatura, tendo em vista que já haviam participado de outras atividades relativas ao tema e

que, portanto, apresentavam conhecimento e maturidade suficiente para discutir e/ ou

confrontar seus conhecimentos espontâneos com o conhecimento científico trabalhado pela

escola.

Acreditamos que essa atividade cumpriu a sua finalidade, pois a discussão foi

bastante interessante e proveitosa para os alunos, que tiveram contato com um texto científico,

refletiram um pouco mais sobre suas idéias em relação aos conceitos de calor e temperatura,

ficando ainda mais interessados em conhecer e compreender mais sobre os conceitos

trabalhados, tendo em vista que tais conceitos fazem parte do cotidiano dos mesmos.

54

Atividade 6 – Construção de uma Máquina Térmica

O calor é uma forma de energia, sendo possível, portanto, transformá-lo em

energia mecânica. Os dispositivos que efetuam esta transformação, tornando possível a

realização de trabalho a partir do calor, são denominados máquinas térmicas.

Esta atividade consiste na construção de um modelo rudimentar de máquina

térmica, em que os alunos terão oportunidade de observar alguns aspectos relativos ao

funcionamento das máquinas, bem como aos conteúdos envolvidos. Tais como: mudança de

estado da água, rendimento e leis da termodinâmica.

Material utilizado:

1. Lata de refrigerante vazia.

2. Lamparinas pequenas a álcool ou giz embebido com álcool.

3. Agulha número 2 de injeção de uso veterinário

4. Diversos: cola durepoxi, pedaços de isopor, arame, madeira e alumínio, cordões,

carretel de máquina de costura ou semelhante, papel cartão, etc.

Procedimento: Construção da caldeira

1. Retire totalmente a tampinha da lata.

2. Faça um pequeno furo no meio da tampinha e encaixe nele a agulha de injeção

colando-a.

3. Coloque um pouco d’água na lata de refrigerante.

4. Recoloque a tampinha no local de onde foi tirada utilizando para isso cola durepoxi

com a agulha voltada para fora da lata.

5. Apóie horizontalmente a caldeira numa armação de arame de maneira que a agulha

fique na parte mais alta.

6. Abaixo da caldeira coloque as lamparinas a álcool (fonte de energia térmica da

caldeira).

Procedimento: Construção da turbina

1. Cole, nas laterais do carretel, aletas de papel cartão, isopor ou de alumínio.

2. Ponha a turbina numa armação, ajustando a altura para que coincidam com a

agulha da caldeira, por onde sairá o jato de vapor de água.

Resultado:

Além da própria movimentação da turbina, é interessante ressaltar o fluxo

contínuo e uniforme de vapor que se forma depois que a água entra em ebulição. A turbina

55

gira por ação direta e visível do vapor decorrente do aquecimento e da ebulição da água. Vale

apena destacar a enorme quantidade de vapor que uma pequena quantidade de água pode

gerar e a energia obtida nessa mudança de estado da água. Salientamos que, a montagem

proposta não é uma máquina térmica no sentido estrito do termo, pois não tem uma

característica básica: o movimento em ciclos causado pela transferência de calor entre um

fluido e duas fontes externas com temperaturas diferentes. Mas não há dúvida: toda turbina

com as mesmas características da turbina que construímos pode realizar trabalho a partir do

calor. Portanto, no sentido amplo do termo, nossa montagem pode ser considerada uma

máquina térmica.

4.3 – Avaliação após aplicação da estratégia de ensino

Depois de elaborada e aplicada a estratégia de ensino, aplicamos novamente o

questionário (diagnóstico) na referida turma, com a finalidade de verificarmos se ocorreu

alguma mudança na concepção dos alunos em relação aos conceitos de calor e de temperatura.

Aplicamos, ainda, o questionário a uma outra turma, na qual não foi trabalhada a estratégia de

ensino, e que teve um curso de termodinâmica em que o principal recurso metodológico

utilizado foi a exposição dialogada. A turma escolhida foi a 2ª série “C” do mesmo

estabelecimento de ensino, por apresentar as mesmas características e o mesmo número de

alunos da 2ª série “E” (turma em que foi aplicada a estratégia). O objetivo de se aplicar o

questionário a essa turma é utilizá-la como referência, para observarmos e/ou constatarmos se

com a introdução de pequenas mudanças na metodologia desenvolvida em sala de aula, com o

professor fazendo um diagnóstico das concepções alternativas dos alunos em relação aos

conceitos a serem trabalhados e a partir daí produzir ou adaptar o material didático a ser

utilizado em suas aulas, se efetivaria em um ensino mais significativo para os alunos.

Na 2ª série “C” não houve a preocupação em diagnosticar as concepções

alternativas apresentadas pelos alunos, bem como em preparar um material didático específico

para se trabalhar a concepção científica sobre os conceitos de calor e de temperatura.

Apresentaremos, a seguir, os resultados obtidos com o questionário antes e

depois da aplicação da estratégia de ensino elaborada, na 2ª série “E”, bem como as respostas

da 2ª série “C” às mesmas questões.

56

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

A

B

C

QUESTÃO 1:

Turmas pesquisadas Alternativas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

A 54,0% 6,4% 21,3%

B 20,0% 4,2% 19,1%

C* 26,0% 89,4% 59,6%

QUESTÃO 2:

Turmas pesquisadas Alternativas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

A 42,0% 8,5% 31,9%

B* 10,0% 74,5% 36,2%

C 48,0% 17,0% 31,9%

57

2ª “E” – Antes

da aplicação da

E.E.

2ª “E” – Depois

da aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

A

B

C

2ª “E” – Antes da

aplicação da

E.E.

2ª “E” – Depois

da aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

A

B

C

QUESTÃO 3:

Turmas pesquisadas Alternativas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

A 54,0% 12,8% 25,5%

B* 38,0% 78,7% 57,4%

C 8,0% 8,5% 17,0%

58

QUESTÃO 4:

Turmas pesquisadas Alternativas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

A 54,0% 14,9% 29,8%

B 16,0% 8,5% 12,8%

C* 30,0% 76,6% 57,4%

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois

da aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

A

B

C

QUESTÃO 5:

Turmas pesquisadas Alternativas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

A 14,0% 6,4% 12,8%

B* 18,0% 85,1% 70,2%

C 68,0% 8,5% 17,0%

59

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois

da aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

A

B

C

QUESTÃO 6:

Turmas pesquisadas Alternativas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

A 62,0% 8,5% 25,5%

B 22,0% 10,6% 31,9%

C* 16,0% 80,9% 42,6%

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois

da aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

A

B

C

60

QUESTÃO 7:

Turmas pesquisadas Alternativas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

A 30,0% 4,3% 10,6%

B* 14,0% 85,1% 61,7%

C 56,0% 10,6% 27,7%

2ª “E” – Antes da

aplicação da

E.E.

2ª “E” – Depois

da aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

A

B

C

QUESTÃO 8:

QUESTÃO 8 - SITUAÇÃO 1

Turmas pesquisadas Temperaturas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

40ºC* 70,0% 93,6% 74,5%

80ºC 20,0% 4,3% 21,3%

Outros valores 10,0% 2,1% 4,2%

61

2ª “E” – Antes

da aplicação

da E.E.

2ª “E” –

Depois da

aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

40ºC

80ºC

Outros valores

QUESTÃO 8 – SITUAÇÃO 2

Turmas pesquisadas Temperaturas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

50ºC* 42,0% 91,5% 76,6%

100ºC 24,0% 6,4% 21,3%

Outros valores 34,0% 2,1% 2,1%

2ª “E” – Antes

da aplicação

da E.E.

2ª “E” –

Depois da

aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

50ºC

100ºC

Outros valores

62

QUESTÃO 9: Temperatura do Corpo B (TB)

Turmas pesquisadas Temperaturas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

40ºC* 52,0% 89,4% 74,5%

20ºC 28,0% 8,5% 21,3%

Outros valores 20,0% 2,1% 4,2%

2ª “E” –

Antes da

aplicação da

E.E.

2ª “E” –

Depois da

aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

40ºC

20ºC

Outros valores

Temperatura do Corpo C (TC)

Turmas pesquisadas Temperaturas

2ª “E” – Antes da

aplicação da E.E.

2ª “E” – Depois da

aplicação da E.E.

2ª “C”

40ºC* 52,0% 89,4% 74,5%

20ºC 28,0% 8,5% 21,3%

Outros valores 20,0% 2,1% 4,2%

63

2ª “E” –

Antes da

aplicação da

E.E.

2ª “E” –

Depois da

aplicação da

E.E.

2ª “C”

Turmas pesquisadas

40ºC

20ºC

Outros valores

Muitos questionamentos podem ser feitos em relação a esse procedimento. Por

um lado, os alunos da 2ª série “E” já estavam familiarizados com as perguntas do

questionário, o que propiciou um rendimento mais satisfatório do que o dos alunos da outra

turma, para quem as questões eram novas. Por isso, pode-se questionar se o uso do mesmo

instrumento, “antes” e “depois”, é ou não adequado nesse caso.

Por outro lado, houve uma falha em não aplicarmos o instrumento diagnóstico,

antes, na 2ª série “C”. Dessa forma, não foi possível vislumbrar a evolução dessa turma.

De qualquer modo, acreditamos que os dados obtidos colaboram na avaliação

de nossa estratégia de ensino, na medida em que sejam complementados por outras

informações de natureza descritiva e qualitativa, que ajudem a construir um “quadro” da

experiência realizada.

Uma observação que consideramos interessante foi a participação dos alunos

nas aulas e os altos índices de freqüência e aprovação. Eram espontâneos, e eu não tinha que

ficar “lutando” para conseguir realizar as atividades. Eles conheciam a seqüência e, alguns,

até se preparavam em casa para realizá-las.

Nas atividades experimentais a turma teve que ser dividida: enquanto metade

fazia a atividade, a outra metade permanecia em sala de aula, fazendo atividades

complementares, como, por exemplo, lendo os textos (todos os alunos tinham a estratégia e o

mais importante sozinhos). Outro ponto que me deixou muito feliz é que na turma existiam

quatro alunos que estavam na dependência em Física, ou seja, cursavam a 3ª série do ensino

64

médio no matutino e cursavam a disciplina de Física no vespertino por terem sido reprovados

no ano anterior. E, por felicidade nossa, os quatro alunos que haviam sido reprovados em

Física, fizeram o vestibular e dos quatro, três foram aprovados no último vestibular da

Universidade Estadual do Rio Grande do Norte (2007), para o curso de Licenciatura em

Física.

Outro aspecto que observamos e consideramos importante foi a participação

dos alunos nas atividades que envolvia a História da Ciência, eles demonstraram um interesse

muito grande; liam os textos com prazer e participavam ativamente das discussões e com isso,

a atividade fluía de forma prazerosa. Alguns alunos comentavam: “professor, Física não

poderia ser ensinada sempre assim, fica bem mais fácil compreender os conceitos”.

Acreditamos que os educadores, principalmente do Ensino Médio não podem deixar de

utilizar um instrumento tão importante, como a História da Ciência, no processo ensino-

aprendizagem de seus alunos.

Portanto, acreditamos que o trabalho tenha valido a pena, apesar das

dificuldades. É muito bom saber que fizemos, estamos fazendo e continuaremos a fazer algo

para melhorar a nossa atuação como professor do ensino médio.

65

5 CONCLUSÕES

Não gosto de conclusões. Conclusões são chaves que fecham (do latim con e

claudere, fechar). Palavras não conclusivas, que deixam abertas as portas das

gaiolas para que os pássaros voem de novo. Cada conclusão faz parar o

pensamento. Como nos livros de Agatha Christie: resolvido o crime, nada sobra

em que pensar. E não adianta ler o livro de novo. Quando o pensamento aparece

assassinado, pode-se ter a certeza de que o criminoso foi uma conclusão...

( ALVES, 2001, p.26.)

Esta pesquisa esteve centrada em diagnosticar as concepções alternativas de

alunos da 2ª série do ensino médio em relação aos conceitos de calor e de temperatura como

embasamento para elaboração e aplicação de uma estratégia de ensino. A estratégia seria uma

forma de dar maior significado ao ensino de ciências, em especial ao ensino da Física.

Procuramos inserir em nossa estratégia de ensino a História da Ciência como uma maneira de

auxiliar o aluno a compreender a Física como algo mais do que simples fórmulas a serem

memorizadas, mas como uma construção humana que leva tempo e que depende do contexto

histórico em que esse conhecimento está sendo produzido. Tentamos mostrar aos nossos

alunos a ciência como uma construção de natureza humana, “feita por homens e para homens”

(PRIGOGINE; STENGERS, 1979, Apud HÜLSENDEGER,2004 p.146). E, portanto, tendo

características bem humanas, apresenta um desenvolvimento que não é linear ou cumulativo.

Assim, para compreendermos, por exemplo, as motivações que levaram à

construção das primeiras máquinas térmicas e, como conseqüência, à Revolução Industrial

instaurada no século XVIII na Inglaterra, torna-se importante conhecermos e entendermos a

luta de todos aqueles que antecederam esse período e a forma como conseguiram superar

modelos do que era considerado, na época, fazer ciência. Compartilhamos a crença de que a

compreensão desse processo pode auxiliar a desmistificar a ciência e aumentar as

possibilidades do aluno de participar da construção e do controle dos conhecimentos.

Outro dado importante que identificamos em nossa pesquisa é a importância do

conhecimento por parte dos professores das concepções alternativas apresentadas pelos alunos

diante dos conceitos que pretendemos desenvolver. Partimos do princípio de que ao ignorá-las

ou menosprezá-las poderemos estar correndo o risco de dificultar, ainda mais, o processo de

ensino-aprendizagem. Temos que compreender e perceber os alunos como sujeitos com idéias

e explicações próprias para a realidade que os cercam. O reconhecimento da presença dessas

66

representações, trazidas pelos alunos para dentro da sala de aula, pode também auxiliar os

professores a compreender melhor o caráter relativo do processo de ensinar e aprender. Ou

seja, entender que não será pela simples repetição de conceitos aceitos pela Ciência, que o

aluno irá abandonar suas próprias explicações para os fenômenos à sua volta.

E quanto à compreensão dos fenômenos termodinâmicos? Houve uma

melhora? Foram alcançados os objetivos pretendidos por esta pesquisa?

Algo que este trabalho nos ensinou foi conseguir compreender e aceitar a

relatividade do processo de ensino-aprendizagem. Assim, minha resposta às duas questões

anteriores seria um sim, apesar de que, ao fim do trabalho, alguns de meus alunos:

• Ainda continuem a ter problemas em distinguir as diferenças entre os conceitos de

calor e de temperatura;

• Tenham, um ano depois, dificuldades em trabalhar com as equações que descrevem os

fenômenos termodinâmicos; e

• Continuem a encontrar dificuldades em estabelecer conexões entre o que estudam na

Física e o seu cotidiano.

Mas, talvez, eles hoje compreendam um pouco melhor que a Ciência e,

portanto, a Física,

Não é uma atividade exercida pelos homens desde toda a eternidade e sob as mesmas formas, nascida um belo dia já pronta da cabeça de um cientista, mas que ela é determinada ou, pelo menos, condicionada por fatores históricos, sócio-econômicos, tecnológicos, ideológicos e psicológicos (JAPIASSU, 1999, p.226).

Para concluir, ainda resta uma última questão: como tudo isso se refletiu em

minha prática docente?

Hoje, meus olhos estão mais abertos, minha visão dos diferentes contextos de

uma sala de aula está mais clara e abrangente. Hoje, vejo caminhos que antes sequer percebia

diferentes de todos aqueles até hoje percorridos.

Sentimos-nos mais preparado em aceitar as dificuldades dos nossos alunos

como parte de um processo amplo e complexo de construção do conhecimento. Processo

também vivenciado por todos os grandes homens da Ciência em todos os tempos. Sentimos-

nos, hoje, mais reflexivo e menos rígido na defesa de verdades absolutas e certezas imutáveis,

pois compreendo melhor que “Uma verdade congelada torna-se uma anestesia intelectual. Seu

efeito paralisante gera inúmeras doenças de espírito, entre as quais a paralisia adulta da

inteligência” (JAPIASSU, 1999, p.328). Enfim, hoje, definitivamente, não sou o mesmo

67

professor de ontem, confinado em uma sala de aula, mas consciente da necessidade de se

continuar estudando e procurando novos caminhos na direção de um ensino de ciência mais

eficiente e que faça sentido para os alunos.

E, como Rubem Alves, também não gosto de conclusões, pois não acredito que

elas existam.

E se a vida é um grande enigma, não acreditemos, portanto, que este seja o

final de um caminho ou um pensamento que foi assassinado (ALVES, 2001), mas um começo

ou, quem sabe, um recomeço de uma nova jornada. Que possamos aprender com essa e com

outras experiências a encarar as dificuldades com esperança. Que possamos aprender a nos

ver como parte de algo bem maior do que aquilo que nossos sentidos são capazes de perceber.

E, finalmente, que possamos voltar a nos “admirarmos com as coisas do mundo”

(GAARDER, 1995, p. 30), encarando-o com expectativa, não temendo a incerteza, pois ela

representa o desafio que nos faz querer sempre avançar e crescer.

68

6 – REFERÊNCIAS

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71

APÊNDICE A - Questionário

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE CIÊNCIAS NATURAIS E MATEMÁTICA

QUESTIONÁRIO

NOME: ___________________________________ SÉRIE: ______ TURMA: ______

SEXO: MASCULINO FEMININO

IDADE: ______

� Responda as questões a seguir escolhendo apenas uma das alternativas.

1 – Associamos a existência de calor:

a) A qualquer corpo, pois todo corpo possui calor.

b) Apenas àqueles corpos que se encontram “quentes”.

c) A situações nas quais há, necessariamente, transferência de calor.

2 – Para se admitir a existência calor:

a) Basta um único corpo.

b) São necessários, pelo menos, dois corpos.

c) Basta um único corpo, mas ele deve estar “quente”.

3 – Dois objetos de mesmo material, porém de massas diferentes, ficam durante muito tempo

em um forno. Ao serem retirados do forno são imediatamente colocados em contato. Nessa

situação:

a) Passa calor do objeto de maior massa para o de menor massa.

b) Nenhum dos objetos passa calor ao outro.

c) Passa calor do objeto de menor massa para o de maior massa.

4 – Os mesmos objetos da questão anterior são agora deixados muito tempo em uma

geladeira. Nessa situação, ao serem retirados e imediatamente colocados em contato:

a) Nenhum dos objetos possui calor.

b) Passa calor do objeto de maior para o de menor massa.

c) Nenhum dos objetos passa calor ao outro.

5 – Uma pessoa afirma que seu coberto é bom, “porque impede que o frio passe através dele”.

Esta afirmativa é:

72

a) Correta

b) Errada

c) Depende do material de que é feito o cobertor.

6 – Quando dois corpos de tamanhos diferentes estão em contato e com a mesma

temperatura, ambos isolados do meio ambiente, pode-se dizer que:

a) o corpo maior é o mais quente

b) o corpo maior cede calor para o corpo menor

c) não há troca de calor entre os corpos

7 – Um estudante descalço, em uma sala ladrilhada (cerâmica), coloca seu pé esquerdo

diretamente sobre a cerâmica e seu pé direito sobre um tapete aí existente. É correto afirmar

que:

a) A temperatura do tapete é menor do que a da cerâmica.

b) O tapete e a cerâmica estão a uma mesma temperatura.

c) A temperatura da cerâmica é menor do que a do tapete.

8 – Observe os desenhos e responda qual a temperatura do corpo C, em cada situação: 1)

tA = 40ºC tB = 40ºC 2) tA = 40ºC tB = 60ºC

TC = ? TC= ? 9 – Observe o desenho e responda qual a temperatura dos corpos B e C. TB = ? TC = ?

73

* As questões do referido questionário foram retiradas ou baseadas em: MÁXIMO, ANTÔNIO; ALVARENGA, BEATRIZ. Curso de Física - vol. 2. São Paulo: Scipione, 2000. OSTERMANN, FERNANDA; MOREIRA, MARCO A. A Física na Formação de

Professores do Ensino Fundamental. Porto Alegre, ed. Universidade/ UFRGS, 1999.

74

APÊNDICE B - Texto: A Revolução Industrial e a Termodinâmica

O termo Revolução Industrial

refere-se à mudança de uma economia agrária

manual para outra dominada pela produção

mecanizada em fábricas nas áreas urbanas. A

Revolução Industrial envolveu uma mudança do

trabalho manual para o realizado por máquinas e

do trabalho humano ou animal para outras

formas de energia, como a máquina a vapor ou

de combustão.

A máquina a vapor,

desenvolvida por James Watt na década de

1760, era usada para mover a maquinaria nos

moinhos têxteis. Mulheres e crianças, que

ganhavam menos que os homens, podiam

manejar facilmente as máquinas movidas a

vapor. Embora, os empresários que

dispunham de muitos operários nem sempre

tendiam rapidamente para a energia a vapor,

já que o trabalho dos homens era barato

também. Mas, com o correr do tempo

adotaram o novo sistema. Então, a expansão

tornou-se ainda mais rápida.

As máquinas a vapor

possibilitaram aos mineiros bombear a

água das minas de carvão com mais

eficácia e a um nível muito mais profundo

do solo, o que significou que os limites

alcançados pela mineração, no século

XVII, puderam ser grandemente

ultrapassados. Pois, desde o século XII até

o século XVI, as florestas inglesas foram sendo cortadas para fazer lenha para aquecer as

Figura 1 – Crianças trabalhando nas fábricas

Figura 2 – Indústria têxtil

Figura 3 – Minas inglesas

75

casas no inverno, e também para as indústrias que começavam a ser instaladas. Assim, no

século XVII não havia mais lenha suficiente, e os habitantes recorreram ao carvão de pedra.

As minas de carvão eram inicialmente superficiais, mas logo acabaram essas jazidas e foi

necessário abrir buracos e galerias cada vez mais profundos. Essas minas freqüentemente

ficavam inudadas de água e era necessário bombear a água para obter carvão.

Portanto, o período referente aos séculos XVIII e XIX corresponde a uma fase

de profundas mudanças sociais e econômicas, na Europa, concretizadas com o

estabelecimento do modo de produção capitalista. Uma pequena classe média urbana, no

ínicio restrita à Inglaterra, aos Países Baixos e ao norte da França, rompe com o sistema de

produção feudal da Idade Média através, inicialmente, de uma produção artesanal e

doméstica. Por outro lado, os métodos da ciência experimental estabelecidos no século XVII

com a revolução científica passam a ser aplicados aos diversos ramos do conhecimento; tais

aplicações, por sua vez, são utilizadas para propiciar as transformações nos meios de

produção. Assim, com a melhor organização do trabalho, através da divisão e da

especialização das tarefas, e com as inovações tecnológicas resultantes do estabelecimento

dos métodos da ciência experimental, a exemplo da maquinaria têxtil, firma-se na prática um

novo sistema de produção. Tal modo de produção atinge rapidamente o comércio e a

agricultura. Para o estabelecimento e êxito do que se chamou de Revolução Industrial, as

inovações tecnológicas tiveram um papel fundamental, destacadamente a máquina a vapor, na

medida em que essa se tornou o ponto de partida para o bom êxito da indústria pesada, assim

como para a evolução dos meios de transporte. Vale registrar, porém, que a gênese da

Revolução Industrial está relacionada com a indústria têxtil, naquela época a principal

indústria da Inglaterra.

Por outro lado, a Revolução Industrial constitui um estímulo à atividade

científica, estando esta voltada para problemas suscitados pela indústria; é neste sentido que a

Termodinâmica evolui. Não se pode negar, no entanto, que as inovações tecnológicas sejam

aplicações do pensamento científico, como por exemplo, a máquina a vapor. Segundo Bernal,

mudanças político-socio-econômicas e conquistas científicas e tecnológicas não ocorrem

independentemente. Ainda Bernal, reflete sobre as conseqüências desta interdependência:

Na realidade, quanto mais estreitas são as relações entre a ciência, a técnica, a economia e a política do período, mais claramente se mostra a formação de um processo único de transformação da cultura. Tal período é de capital importância para o progresso da humanidade (ROCHA, p.141).

76

O período da Revolução Industrial se insere nitidamente nesta reflexão, tendo

a Termodinâmica um importante papel neste processo de transformação.

Até há cerca de 200 anos, a maior parte do trabalho era feito por pessoas ou

animais. O trabalho era também obtido a partir do vento e da água, mas ambos não eram

fontes confiáveis de energia, porque não podiam ser utilizados facilmente em qualquer local e

quando necessários. No século XVIII, a exploração das reservas de carvão, fez surgir à

necessidade de um método econômico para bombear a água das minas que ficavam inudadas

e que, portanto, teriam de ser abandonadas. A máquina a vapor desenvolveu-se inicialmente

para satisfazer a esta necessidade prática.

A máquina a vapor é um aparelho que converte a energia de alguns

combustíveis (por exemplo, a energia química do carvão ou do petróleo ou a energia nuclear

do urânio) em energia térmica e esta em energia mecânica. Esta energia mecânica pode então

ser utilizada diretamente para produzir trabalho, como numa locomotiva a vapor, ou pode ser

transformada em energia elétrica.

Desde tempos remotos

que se sabe que o calor pode ser

utilizado para produzir vapor, podendo

este depois produzir trabalho mecânico.

A eolípila, inventada por Herão de

Alexandria cerca de 100 anos antes de

cristo, trabalhava segundo o princípio da

terceira lei de Newton. O irrigador de jardim rotativo trabalha do

mesmo modo, exceto que a força motora é devida à pressão da água

em vez da pressão do vapor.

A eolípila de Herão era um brinquedo, mais para

entretenimento do que para qualquer trabalho útil. Somente, a partir do

final do século XVIII foram inventadas máquinas a vapor com

interesse comercial.

Atualmente, diríamos que uma máquina a vapor usa

uma reserva de calor para produzir trabalho mecânico, isto é, converte calor em energia

mecânica. Mas muitos inventores nos séculos XVIII e XIX não pensaram no calor deste

modo. Olharam o calor como uma substância fina, invisível, que podia ser utilizada

repetidamente para produzir trabalho sem se esgotar. Todavia, não tiveram que esperar para

Figura 4 – Barco a vapor

Figura 5 – Eolípila de Herão

77

aprender todas as leis da física até então conhecidas para que se tornassem engenheiros bem

sucedidos. De fato, a seqüência dos acontecimentos foi precisamente ao contrário; as

máquinas a vapor forma desenvolvidas primeiras por homens que se preocuparam menos com

a ciência do que com ganhar dinheiro ou pelo menos com a melhoria e a segurança na

exploração das minas. Mas tarde, cientistas que tinham não só um conhecimento prático do

que trabalhava, mas também a curiosidade de como trabalhava, fizeram novas descobertas em

física.

A primeira máquina a vapor com sucesso comercial foi inventada Thomas

Savery (1698), baseada num projeto de Edward Somerset (1663), apesar de sua eficiência

duvidosa tem-se notícias de sua utilização no bombeamento de água das minas de carvão.

Resumidamente, a máquina de Savery consistia no grande cilindro de metal

preenchido de vapor vindo de um ebulidor. Uma válvula interrompia a entrada de vapor,

enquanto o cilindro era resfriado com jato de água à temperatura ambiente. A partir desse

resfriamento, o vapor d'água se condensava formando vácuo no seu interior, esse vácuo fazia

que, por um tubo controlado por outra válvula, fosse aspirada água de um posto distribuidor.

Um novo ciclo se iniciava quando outra descarga de vapor era introduzida, expulsando água

residual. Aparentemente, essa máquina servia ao propósito para o qual fora construída:

bombear água de minas de carvão, que se inundavam com freqüência devido a sua grande

profundidade; um de seus grandes problemas era como lidar com o vapor alta pressão, e

consequentemente, alta temperatura. A falta de um resfriamento eficiente do cilindro deve ter

provocado uma série de acidentes desagradáveis, além, é claro de reduzir sua eficiência.

78

Como a criatividade estar muitas vezes a serviço da necessidade não se pode

falar da máquina de Thomas Newcomen (1712), sem falar antes do êmbolo de Denis Papin

(1690). Quando a água se condensava no interior do cilindro, o vácuo produzido movia o

êmbolo no sentido contrário, na máquina se Savery esse movimento era provocado pela ação

da pressão atmosférica. Com a introdução de um êmbolo (criado por Papin) que se moveria

pela ação do vapor se estabeleceu uma assimetria entre o movimento de entrada do vapor

(rápido) e a influência da pressão atmosférica no retorno (lento).

Mas, um dos sérios problemas da máquina de Savery era como controlar a alta

temperatura do vapor d'água. Houve, então, um avanço da técnica introduzido por

Newcomen, que resolveu o problema incluindo um sistema de válvula que permitia a entrada

de vapor e água fria alternadamente, ou seja, o vapor era admitido ou apenas um dos lados do

êmbolo, enquanto a água fria era injetada pelo outro lado, sendo o ar produzido na ebulição

expelido com a entrada do vapor.

Uma máquina a vapor bastante

desenvolvida teve origem no trabalho de

James Watt, pediram a Watt que reparasse

um modelo de máquina de Newcomen que

era usado em aulas práticas na universidade.

Ao familiarizar-se com o modelo, ficou

impressionado com a quantidade de vapor

que era necessário para pôr a máquina em

funcionamento. Watt procedeu a uma série

de experiências sobre o comportamento do

vapor e chegou à conclusão de que o maior

problema estava relacionado com a

temperatura das paredes do cilindro.

Observou que a máquina de Newcomen desperdiçava a maior parte do calor no aquecimento

das paredes do cilindro, que eram depois resfriadas sempre que a água fria era injetada para

condensar o vapor.

No início de 1765, Watt descobriu como se podia evitar este desperdício,

concebeu um tipo modificado de máquina a vapor, na qual o vapor contido no cilindro, depois

de efetuar o trabalho de empurrar o êmbolo, era admitido num recipiente separado para ser

condensado. Com este sistema, o cilindro podia manter-se sempre quente e o condensador

podia manter-se sempre frio.

Figura 7 – Máquina de Newcomen

79

A invenção da máquina a

vapor de Watt com condensador separado,

superou a máquina de Newcomen,

estimulou o desenvolvimento de máquinas

que podiam fazer muitos outros trabalhos

e/ou atividades fabris diversas, condução

de locomotivas, barcos a vapor, e assim

por diante. Deu um estímulo enorme ao

crescimento industrial na Europa e na

América e, portanto, ajudou a transformar

a estrutura econômica e social da civilização ocidental.

O desenvolvimento em larga escala de motores e de máquinas revolucionou a

produção em massa de artigos de consumo, a construção e os transportes. O padrão de vida

médio na Europa Ocidental e nos Estados Unidos cresceu acentuadamente, atualmente é

difícil imaginar como era a vida antes da industrialização. Mas, nem todos os efeitos da

industrialização foram benéficos, o sistema de fábricas do século XIX deu oportunidade a

alguns patrões gananciosos e sem escrúpulos para explorar os trabalhadores, estes patrões

tiveram grandes lucros, enquanto mantiveram os empregados e suas famílias à beira da

miséria, esta situação, que era especialmente séria na Inglaterra no princípio do século XIX,

conduziu a reinvidicações de reformas, através de novas leis, onde, os excessos mais graves

foram finalmente eliminados. À medida que as pessoas abandonavam os campos para

trabalhar nas fábricas o conflito entre a classe trabalhadora, constituída por empregados e a

classe média, constituída por patrões e quadros dirigentes, tornou-se mais intenso; ao mesmo

tempo, alguns artistas e intelectuais começaram a atacar as tendências materialistas da

sociedade que viam torna-se cada vez mais dominada pelo comércio e pela maquinaria. Em

alguns casos, confundiam a própria ciência com aplicações técnicas e denunciavam ambas

enquanto recusavam aprender algo sobre elas.

Embora as máquinas a vapor já não sejam muito utilizadas como fontes diretas

de energia na indústria e nos transportes, o vapor é ainda indiretamente a maior fonte de

energia. A turbina a vapor, inventada pelo engenheiro inglês Charles Parsons em 1884,

substituiu largamente outros tipos de máquinas a vapor mais antigas, atualmente, é por

intermédio de turbinas a vapor que trabalham os geradores elétricos na maior parte das

centrais elétricas. E são geradores elétricos movidos a vapor que fornecem a maior parte de

energia para a maquinaria da civilização moderna, mesmo nas centrais nucleares, a energia

Figura 8 – Máquina de Watt

80

nuclear é utilizada para produzir vapor que depois move as turbinas e os geradores elétricos.

O princípio básico da turbina de Parsons é mais simples do que o das máquinas de Newcomen

e Watt: um jato de vapor a alta pressão toca as pás de um rotor, fazendo-o mover a alta

velocidade.