Termodinâmica: Calor, Temperatura, Energia e as Leis da Termodinâmica

Alinhamento BNCC

Sobre esta atividade

Esta atividade explora por que o gelo derrete, o motor do carro funciona, e por que nada e 100% eficiente. A termodinamica e a ciencia que estuda a relacao entre calor, trabalho e energia. Muitos acham que "calor e igual a temperatura", mas na verdade sao conceitos diferentes: calor e energia em transito, temperatura e a medida do agitamento das moleculas. A atividade explica as tres leis da termodinamica, que governam todo o universo desde estrelas ate geladeiras.

O que ensinar

Diferenciar calor de temperatura; compreender energia interna; entender que calor e transferencia de energia; aplicar as tres leis da termodinamica; compreender eficiencia termica; associar conceitos com o cotidiano.

Conteudo abordado

CALOR: energia em transito entre dois corpos com temperaturas diferentes; unidade: Joule (J) ou Caloria (cal); 1 cal = 4,18 J; transfere-se por conducao (contato), conveccao (fluido) e radiação (ondas). TEMPERATURA: medida do grau de agitação das moleculas; unidade: Celsius (C), Kelvin (K), Fahrenheit (F); nao e energia, e escala; 0 K = zero absoluto (-273 C). ENERGIA INTERNA: soma de todas as energias das moleculas de um corpo; U = Q + W (calor + trabalho); aumento de temperatura = aumento de energia interna. LEI ZERO: se A esta em equilibrio termico com B, e B com C, entao A esta com C; base para medir temperatura. PRIMEIRA LEI: energia nao e criada nem destruida, apenas transformada; Q = U + W; calor fornecido = energia interna + trabalho realizado; conservação da energia. SEGUNDA LEI: calor sempre flui do corpo mais quente para o mais frio; impossivel converter 100% da energia em trabalho; entropia sempre aumenta (desordem); por isso maquinas termicas nunca sao 100% eficientes. TERCEIRA LEI: impossivel atingir o zero absoluto (-273 C); quanto mais frio, mais dificil resfriar; zero absoluto e limite teorico. EFICIENCIA: w = W/Q (trabalho divided por calor); nenhuma maquina e 100% eficiente; geladeira: transfere calor do interior para o exterior; motor: converte calor em trabalho; ar condicionado: transfere calor de dentro para fora. APLICACOES: geladeira (ciclo de refrigeração); motor a explosao (conversao de calor em movimento); paineis solares (conversao de radiacao em calor/electricidade); aquecimento global (excesso de efeito estufa).

Como ensinar

Comece com experiencia: toque em um metal e um madeira (ambos a mesma temperatura, mas metal parece mais frio - conducao). Use termometro para medir temperatura de agua quente e fria. Debate: "por que a geladeira nao congela tudo de uma vez?" Use video do motor de combustao. Analise: "por que never temperatura de -300 C?".

Maiores dificuldades

Alunos confundem calor com temperatura; acham que "temperatura e energia" (nao - e escala); nao compreendem que zero absoluto e impossivel; confundem primeiro com segunda lei; acham que "motor e 100% eficiente" (nao - segunda lei); nao entendem por que calor flui do quente pro frio; confundem conducao com conveccao; dificuldade em entender entropia (desordem); nao associam termodinamica com cotidiano; acham que "resfriar e adicionar frio" (nao - e remover calor).