PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE CIÊNCIASMESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE CIÊNCIAS

INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS/INSTITUTO DE FÍSICA/INSTITUTO DE QUÍMICA

Disciplina:Metodologia do Ensino de CiênciasPeríodo: 1º/ 2010

Professora: Maria de Fátima Lettere Verdeaux

Demetrius LeãoMichele Coelho

Wellington Sampaio

Homo erectus (500.000 atrás)

Foram os primeiros seres a dominarem o fogo.

Héron inventou a eolípila, um aparelho

para medir a força do vapor.

HÉRON DE ALEXANDRIA

(100 d. C.)

GALILEU GALILEI (1564-1642)

Construiu um termoscópio rudimentar, que consistia

num bulbo de vidro contendo ar

Joseph Black (1728- 1799), professor de Química e de Medicina em Glasgow e depois em Edinburgh – um partidário apaixonado da teoria substancialista do calor - o primeiro a diferenciar esses dois conceitos, adotando, inicialmente uma definição que chamaríamos modernamente de operacionalista, para só depois evoluir para uma abordagem mais conceitual

CALORProcesso de propagação do calor como se o calor “fluísse” de um corpo para outro que estivessem que estivesse , respectivamente, a temperaturas mais altas e mais baixas.

TEMPERATURAPelo uso do termômetro é possível medir o valor da temperatura em que o corpo se encontra.

“o calor será comunicado do mais quente desses corpos para o mais frio, durante algumas horas talvez, ou no decorrer de um dia. No fim de um tempo, se colocarmos um termômetro neles todos em sucessão, eles darão precisamente a mesma leitura. O calor se distribui entre eles já que nenhum desses corpos tem uma demanda maior ou atração para o calor do que qualquer outro... O calor é trazido para um estado de equilíbrio. Nós devemos adotar uma lei mais geral do calor, o princípio de que todo corpo comunicando-se livremente um com outro e isolado da ação externa,adquire a mesma temperatura, como indicada pelo termômetro” (Black, apud [2,p. 403]).

Pieter van Musschenbroek

Já o Pieter van Musschenbroek

foi professor de filosofia natural

- como era chamada a física

naquela época - também em

Leyden e escreveu

extensamente sobre física, no

século XVIII. Ele foi um dos

pioneiros tanto no ensino da

física experimental, quanto

também como autor dos

primeiros livros didáticos de

física de que se tem notícia

Era adeptos da teoria dinâmica

do calor, admitiam que corpos

de volumes iguais à mesma

temperatura possuíam as

mesmas quantidades de calor;

A esse respeito Black afirmou: “Mas essa é uma visão muito apressada do assunto. Isto é confundir quantidade de calor em diferentes corpos com a intensidade do calor (temperatura), embora seja evidente que essas sejam duas coisas diferentes e que deveriam sempre ser distinguidas uma da outra,quando pensássemos em distribuição do calor...”

UM “INTERROGATÓRIO” COM O CALOR

-Agora estou me lembrando 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 fluido afinal.

- Essas histórias são muito antigas... As pessoas nem se lembram mais delas.

-Não é bem assim... Muitas 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 disse-se que, ao se instalar nos corpos, você aumentava o “peso” deles. Você era chamado por alguns de calórico.

- 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 ganhava algo. Esse “algo” deveria ser tipo de matéria e, portanto, o corpo aquecido tinha seu “peso” aumentado.

FLOGÍSTICOO flogístico seria o constituinte comum de todos os materiais combustíveis e, também, seria o responsável pela queima de todos os materiais combustíveis.

Afirma que os corpos queimados perdem a propriedade da combustão, pois não mais contém flogístico, que se desprende destes corpos durante a queima. Sendo assim, segundo os defensores dessa teoria, um corpo perde o flogístico quando entra em combustão e um corpo que não queima não é provido de flogístico.

Benjamin Thompson Nasceu em, 1753 em uma fazenda em Woburn, MasachusetsCasou-se com dezenove anos com uma viúva rica e foram morar na cidade de RumfordFoi espião da Inglaterra ( Eu era inglês, de coração)Abandonou a esposa e filhaIntrodutor da batata inglesaE da máquina a vapor no continente europeuRecebeu título de conde em 1790 (Baviera)

“no trabalho na perfuração dos canhões na Baviera eu vim a ter aquela minha intuição

sobre a natureza do calor, a minha mais

famosa contribuição à ciência”

Calor deveria ser uma forma de movimento

1760 – A Teoria do Calórico já estava bem estabelecidaEntre os seus pressupostos estavam, por exemplo:

1. O calórico era uma substância material, um fluido elástico, substância esta que

não poderia ser criada nem destruída;

2. Ele era constituído de partículas que se repeliam entre si, mas que eram

atraídas pelas partículas da matéria ordinária;

3. A magnitude da atração era diferente para diferentes materiais;

4. O calórico poderia ser sensível, onde se difundia através do corpo penetrando

em suas partes vazias e, por atração ficaria como uma capa ao redor das

partículas da matéria ordinária;

5. O calórico poderia, alternativamente, ser latente, agindo com as partículas

atrativas de forma semelhante a das combinações químicas

Rumford: Olha, é comum que os livros-texto de vocês trivializem a complexidade da questão envolvendo a natureza do calor. O livro-texto do Bonjorno , por exemplo, afirma que: “apesar de tão evidente, a natureza do calor só recentemente foi definida pela ciência. Até fins do século XVIII, os cientistas acreditavam que o calor era uma espécie de fluido imponderável (sem massa) e invisível que aquecia ou resfriava os corpos. Deram a essa substância o nome de calórico”.

Rumford: Em primeiro lugar, a natureza do calor está longe de ser evidente,como sugere esse texto citado. Além disso,para que a concepção de energia viesse a ficar bem estabelecida, uma grande disputa de idéias foi travada durante os séculos XVIII e XIX entre a teoria do calórico e a teoria dinâmica. Eu que o diga, pois estava bem no meio desta guerra

Hegemônico durante grande parte do século XVIII

Voltando no tempo ....

Vejam, que os atomistas foram os pioneiros na proposição de uma teoria dinâmica para o calor em termos do movimento de partículas da matéria comum.

Para Empédocles, por exemplo, o calor era uma substância, uma espécie de “fogo sutil”.

Para Aristóteles, entretanto, o calor era uma das qualidades primitivas da matéria, cujas combinações definiam os mesmos elementos já postulados por Empédocles.

Já para os atomistas, Demócrito e Leucipo, o calor era visto como uma conseqüência do movimento de partículas indivisíveis, constituintes da matéria comum.

Três correntes de pensamento sobre a natureza do calor existiram desde a Antiguidade.

Calórico é geralmente representado, de forma equivocada como sendo um fluido contínuo.

Mas o calórico tinha a uma estrutura interna, do mesmo modo que a matéria ordinária, e essa era também uma estrutura de natureza corpuscular.

a teoria do calórico o calorde um corpo estava relacionado com a

quantidade do fluido calórico presente.

“teoria dinâmica tratava apenas com corpúsculos da matéria ordinária, a teoria do calórico pressupunha a existência igualmente de partículas de um fluido sutil. Por outro lado ainda, o calor na teoria dinâmica era visto como um resultado do movimento, não diretamente acessível aos sentidos, um movimento das partículas da matéria comum, enquanto que a teoria do calórico pressupunha que tais partículas eram mantidas estáticas. O próprio fluido calórico mantinha as suas partículas igualmente estáticas envolvendo as partículas da matéria comum, como a casca de uma fruta. Em um tal modelo, as tensões estáticas, e não o movimento de quaisquer partículas, é que eram vistas como responsáveis pelas variações de temperatura. Assim, ambas as teorias falavam em calor de um corpo, algo bem diferente da visão moderna de calor como um processo”.

A teoria do calórico veio a dar cona das explicações de grandes fenômenos ligados ao aquecimento dos corpos.

A dilatação dos sólidos era explicada com a argumentação de que quando um corpo recebia uma certa quantidade de fluido calórico, a atração entre as partículas da matéria ordinária predominava sobre a repulsão das atmosferas das partículas de calórico que cercavam tais partículas de matéria comum, até o limite em que uma quantidade suficiente desse calórico introduzido dava lugar a uma expansão que conduzia a um novo equilíbrio das forças internas.

A mudança de fase, a fusão,por exemplo, ocorria quando uma quantidade de calórico introduzida no corpo fosse de tal ordem que a repulsão entre as partículas do fluido de calor superava a atração das partículas da matéria ordinária.

A queda ....

“Eu considerei a possibilidade de que o calor fosse apenas uma forma de movimento. Isso, certamente contribuiu para abalar as estruturas da teoria do calórico, mas eu não diria jamais que eu refutei a mesma.”

AS ORIGENS

A EVOLUÇÃO

• Produção manufatureira (séculos XV e XVI)

• Sistema Fabril (século XVIII)

• Produção em Série

Por que na Inglaterra???• Controle do mercado consumidor;

• Economia em expansão interna e externa.

• Oferta de mão-de-obra;

• Produção de tecidos de algodão;

A pleno vapor...• Produção de tecidos de algodão.• A produção de tecidos de algodão era

mais barata que a lã.• Concorrência com o produto indiano.• Aperfeiçoamento dos métodos de cultivo

do algodão.• Mecanização crescendo no cultivo,

transportes, metalurgia, mineração, etc.

DENIS PAPIN (1647-1712)• Físico francês que

projetou a primeira máquina a vapor, baseado num princípio descoberto por ele mesmo: a alta pressão gerada pelo vapor d’água em uma espécie de panela de pressão.

Marmita de Papin

THOMAS SAVERY (1650-1715)• Engenheiro militar

inglês que patenteou sua bomba a vapor, responsáveis por escoar a água de poços profundos, para retirada de carvão.

• Construiu uma máquina a vapor mais

aperfeiçoada, com cilindro e

êmbolo, utilizada para

retirar águas de minas.

NEWCOMEN(1663-1729)

JAMES WATT (1736-1819)• Melhorou a máquina

de Newcomen, adaptando-a a um condensador externo, melhorando consideravelmente o rendimento das máquinas a vapor existentes.

Máquina de WattMáquina de Newcomen

Linha do tempo...Linha do tempo...

1850 1865 1900 1930

1824

CarnotMáquinasA vapor

2ª lei

1842

MayerEquivalenteMecânico3,56 J/cal

1845

JouleEquivalenteMecânico4,154 J/cal

1ª lei

1847

HelmoltzFormulaçãoMatemática

da 1ª leiGeneralização

da Conservaçãoda Energia

ClausiusEntropia

NernstEntropia e o

Zero absoluto3ª lei

Equilíbrio térmicoClausius2ª lei

Como se poderia aumentar o rendimento de uma máquina térmica, tornando-a o mais eficiente

possível?

Sadi Carnot (1796 - 1832)• Sistematizou a Termodinâmica, colocando

limites físicos para a transformação de energia térmica em trabalho

• Teoria do Calórico e a sua conservação (indestrutível)

• Máquina a vapor reversível

• Equivalente mecânico do calor: 3,62J/cal

• Esboça a possibilidade de transformações recíprocas das diferentes formas de energia

1824

“Podemos estabelecer como tese geral que a potência motriz existe em quantidade invariável na Natureza, que ela nunca é, propriamente falando,

nem produzida nem destruída. Na verdade, ela muda de forma, isto é, ela produz umas vezes um tipo de movimento outras vezes um tipo diferente,

mas nunca é destruída. Este princípio deduz-se por si só, digamos assim, da teoria mecânica”

Carnot

• Carnot (1824) percebeu que o condensador era indispensável em um processo cíclico e que representava uma ineficiência intrínseca e irremovível do processo, já que parte do calor que a caldeira fornecia e que não se transformava em trabalho no pistão era transferida para fora da máquina. Parte do calor sempre sobrava e precisava ser retirada.

• Após sua morte em 1832, surgiram várias notas, nas quais ele mostrava que tinha abandonado a teoria do Calórico e sugerido que na sua máquina o que se conservava era a energia e não o calor.

• Mas já era tarde, Kelvin e Clausius tinham formulado precisamente o segundo principio da termodinâmica

• A máquina de Carnot é a máquina ideal cujo rendimento não pode ser superado. Ela opera entre 2 reservatórios (máquina térmica + refrigerador) e consegue o rendimento máximo em vista das outros processos térmicos.

Mayer Joule

• Seus trabalhos teóricos introduziram claramente a noção de equivalência entre calor e trabalho

• Equivalente mecânico do calor: 3,56 J/cal

• Seus trabalhos experimentais definiram precisamente o equivalente mecânico de calor.

• Derrubou a teoria do calórico

• O calor era conservado e devia ser uma forma de energia

• Que o calor e a energia mecânica podem ser considerados manifestações diferentes da mesma quantidade física: a energia

• Teoria da Conservação da Energia (Lorde Kelvin, 1851)

18421845

“É impossível extrair trabalho do calor, sem ao mesmo tempo, descartar algum calor”

Joule

Energia de Joule

James Prescott Joule foi uma vezO revolucionário industrial inglês quem fezUso da sua jovem potencial energiaLigando-se na conservação que existiaEnquanto transformava energia em energia

De tanto tratar de tal temaAcabou virando unidade do sistema

(Washington Lerias)

“[...] chegamos a conclusão de que a natureza como um todo possui um estoque de energia que não pode de forma

alguma ser aumentado ou reduzido; e que, por conseguinte, a quantidade de energia na natureza é tão eterna e

inalterável como a quantidade de matéria. Expressa desta forma, chamei esta lei geral de Principio da Conservação da

Energia”

Herman Von Helmholtz

1847

1851Thomson

1852 a 1855Macquorn

1867Thomson /

Guthrie1853

Rudolf Clausius (1822 - 1888)• Rejeitou a teoria do calórico• O calor como uma função de estado do

sistema. O estado macroscópio de um sistema termodinâmico simples fechado pode ser definido pelas variáveis P,V e T.

“O calor flui naturalmente de um reservatório quente para um frio, mas

nunca ao contrário”

• Em 1834, Clausius reformula a 2ª lei e introduz o conceito de valor de equivalência de uma transformação térmica, medido pela relação entre a quantidade de calor e a temperatura na qual ocorria a transformação.

1850

• Distinguiu os processos reversíveis dos irreversíveis

• Em 1865 propôs o termo Entropia

“Em qualquer transformação que se produza num sistema isolado, a entropia do sistema aumenta ou permanece constante. Não

há, portanto qualquer sistema térmico perfeito no qual todo o calor é transformado em trabalho. Existe sempre uma

determinada perda de energia”

Variação da Entropia Medida da “degradação” do calor ao passar de uma dada temperatura para outra mais baixa.

1865

Ludwig Boltzmann (1822 - 1888)

• Procurou uma interpretação mecânica da Entropia, por meio de probabilidades

• Foi o primeiro e o mais ativo defensor da idéia de explicar os fenômenos macroscópicos (pressão, temperatura, etc.) através de interações entre átomos e moléculas em constante movimento.

• Planck inseriu a constante de Boltzmann e a equação da entropia na literatura

1900

• No final do século 19, porém, muitos físicos e químicos de renome não aceitavam a idéia de que a matéria é descontínua. As opiniões de Boltzmann foram contestadas com veemência por Ernest Mach e Wilhelm Ostwald e as desavenças, em certos momentos, saíram da arena puramente científica, entrando na disputa pessoal.

• Pouco tempo depois de sua morte as evidências experimentais da validade de suas idéias começaram a se acumular rapidamente. Medidas de J. Perrin, em 1908, mostraram de forma inequívoca a existência e o movimento dos átomos e moléculas e sua concordância perfeita com as previsões teóricas de Boltzmann. Juntamente com o americano Josiah Gibbs, que trabalhou na mesma linha que ele, de forma independente, Boltzmann é considerado o criador da Mecânica Estatística

Walter Nernst (1864 - 1941)

• Químico e Físico alemão

• A entropia de um sistema no zero absoluto é uma constante universal

“É impossível reduzir a zero a entropia de um sistema”

“É impossível esfriar um sistema até o zero absoluto em um tempo finito”

1903

Entropia

Lei Zero da Termodinâmica

• Essa lei baseada no Equilíbrio Térmico só apareceu da década de 1930• Formalmente definida por Ralph Fowler e Guggenheim• Evidenciou o conceito da grandeza Temperatura• Proporciona uma maneira empírica de definir temperatura, além de

estabelecer um processo operacional de como medi-la

QUENTE OU FRIO?QUENTE OU FRIO?

No frio eu me arrepioNo quente fico ardenteÉ frio no fundo do rioÉ quente no interior da genteÉ frio quando na noite gioQuente no dia de calor latenteO quente sente o frioE o frio sente o quenteQuando há o contato natoO quente esfria a sua energiaE o frio se esquenta de fatoAté que a parte quente não sente a friaE a fria não mais sente a quente

(Washington Lerias) (Washington Lerias) gio = verbo gear na primeira pessoa, como se o narrador pudesse gear com o efeito da geada.

ALGUMAS PROPOSTAS DIDÁTICAS...

HISTÓRIA DA TEMODINÂMICA

BIBLIOGRAFIAPÁDUA, Antônio Braz et al. A história da termodinâmica clássica: uma ciência fundamental. EDUEL, Londrina, 2009.MACHADO, Jorge Ricardo Coutinho. Considerações sobre o ensino de química.http://www.ufpa.br/eduquim/consideracoes.htmMEDEIROS, Alexandre. Entrevista com Conde Rumford: da teoria do Calórico ao calor como forma de movimento. Física na Escola, v.10, n. 1, 2009.ROCHA, J.F, Origens e evolução das Idéias da Física, Salvador, EDUFBA, 2002