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Módulo de Ensino InovadorTermodinâmica

• Fabio Stucchi Vannucchi
• Karina Aguiar
• Leonardo Crochik

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Apresentação

• Este trabalho visa oferecer uma proposta de
  discussão e formulação das 2 (primeiras) leis da
  termodinâmica, buscando trabalhar, através da
  história da ciência, os diversos obstáculos
  epistemológicos envolvidos na compreensão desses
  conceitos, bem como, ao estender a abordagem a
  uma introdução aos fenômenos fora do equilíbrio,
  articular os conceitos envolvidos com outras
  áreas do conhecimento, em particular, a biologia.

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Introdução (1)

• A escolha da termodinâmica como tema deste módulo
  de ensino se deve tanto ao desinteresse com que é
  tratada no ensino médio, à limitação com que seus
  subtemas são tratados (quando são) e à atualidade
  das questões envolvidas, sendo até hoje uma área
  de pesquisa bastante ativa.

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Introdução (2)

• Este módulo de ensino visa discutir com os
  estudantes as 2 leis da termodinâmica assim como
  conceitos conjugados calor, trabalho, energia,
  (ir)reversibilidade e equilíbrio. Trata-se de
  conceitos que, além de serem essenciais para
  todas as áreas da física, estão presentes no
  arcabouço cultural de nossa sociedade (basta ver
  os múltiplos usos do termo energia e do crescente
  interesse pelo tema da auto-organização por parte
  de não-cientistas) e são extremamente relevantes
  em diversos âmbitos da vida cotidiana política
  energética, funcionamento de aparelhos
  domésticos, dietas alimentares, etc.

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Introdução (3)

• O amplo uso da história da ciência neste módulo
  tem os seguintes objetivos (a) fornecer uma
  visão de ciência dinâmica que, longe de
  corresponder à Verdade, é uma atividade de
  criação humana, não desvinculada da dinâmica mais
  geral da sociedade, possuindo relações com a sua
  estrutura político-econômica e com a evolução
  geral das idéias filosóficas, artísticas e
  teológicas (b) ao mostrar as polêmicas que deram
  origem às teorias científicas, contribuir para
  explicitar os obstáculos epistemológicos e
  concepções alternativas presentes na visão de
  mundo dos estudantes. Além disso, como
  conseqüência da proposta de utilizar a história
  da ciência, alguns outros aspectos inesperados se
  fazem sentir (a) ao trabalhar com a leitura de
  textos originais científicos, este módulo
  contribuirá para o desenvolvimento dessa
  habilidade de leitura, que não costuma ser
  desenvolvida nem nas aulas de português (porque
  lá, em geral, os textos não são científicos) nem
  nas disciplinas científicas (porque nessas se lê
  muito pouco) (b) a abordagem histórica é
  necessariamente integrada, ou seja, diversos
  temas aparentemente desvinculados das duas leis
  da termodinâmica acabam sendo abordados pelos
  próprios textos científicos, evitando assim a
  construção de um conhecimento demasiadamente
  fragmentado e morto (construído artificialmente
  para fins didáticos).

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Introdução (4)

• Como exemplo da pertinência da abordagem
  histórica, podemos citar a sua utilidade para
  esclarecer uma concepção alternativa que opõe a
  conservação da energia à sua dissipação e à
  irreversibilidade das transformações. Essa
  concepção alternativa está presente
  historicamente e é possível compreendê-la através
  de uma abordagem dialética do conflito entre
  tese (conservação da energia) e antítese
  (dissipação, irreversibilidade) é construída a
  síntese (as leis da termodinâmica). Revivendo
  este processo histórico, o estudante tem espaço
  para rever suas concepções e transformá-las.

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Introdução (5)

• A inclusão de uma introdução aos sistemas (que
  permanecem) fora do equilíbrio - raramente
  tratado até mesmo em nossos cursos de graduação -
  visa oferecer aos estudantes um panorama de
  questões discutidas atualmente, fornecendo
  insights que permitam conexões entre os
  conhecimentos aqui abordados e outras áreas do
  conhecimento, científicas ou não. Utilizando a
  distinção de Bachelard entre o pensador noturno e
  diurno, esta última etapa do módulo estaria mais
  próxima do entardecer.

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Informações úteis

• Público alvo alunos de terceiro colegial (17
  anos)
• Conhecimentos prévios esperados conhecimento das
  leis de Newton, alguma noção relacionada à
  conservação da energia
• Número de aulas oito aulas de uma hora de
  duração
• Conteúdo Físico Primeira e segunda leis da
  termodinâmica

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Bloco 1 Problematização conservação da energia
X dissipação.
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Aula 1 Aspectos filosóficos da conservação da
energia.

• Tema da aula problematização da conservação da
  energia através da polêmica Clarke - Leibniz a
  respeito da posição Newtoniana de que Deus
  precisa reformar o mundo de tempos em tempos para
  evitar que ele colapse.
• Objetivos (1) desconstruir, mostrando um lado
  menos conhecido da contribuição científica de
  Newton, a figura do cientista como pessoa
  totalmente objetiva, avessa a debates filosóficos
  ou teológicos, trabalhando única e exclusivamente
  a partir "dos fatos" (2) mostrar o debate
  científico / filosófico por trás de uma questão
  aparentemente teológica (3) mostrar as relações
  entre ciência e poder, explícitas em comparações
  entre Deus e "um Rei"
• Motivação a física é vista freqüentemente como
  não tendo nenhuma conexão com as demais áreas do
  conhecimento e a existência humana. Essa aula
  visa modificar essa visão da ciência.
• Conteúdo físico Primeira e Segunda leis da
  termodinâmica.
• Recursos Saliva, giz, lousa.
• Material didático textos de Clarke e Leibniz.
• momentos da aula (1) discussão com a sala
  pedindo que eles respondam à seguinte pergunta
  "Se a energia se conserva, por que é que
  precisamos economizar energia? (10 min) (2)
  divisão da sala em grupos para que cada grupo
  leia e discuta o texto abaixo reproduzido,
  tentando responder a algumas questões (30 min)
  (3) discussão com a sala a respeito das respostas
  que os grupos formularam (20 min).

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Aula 2 contestações à conservação da energia

• Tema da aula argumentos que, pensando a natureza
  como composta de partículas, podem ser utilizados
  contra a conservação da energia e em defesa da
  irreversibilidade (dissipação da energia).
• Objetivos (1) Dar elementos que façam com que,
  por um lado, para convencer-se da conservação da
  energia, os estudantes tenham que modificar sua
  visão sobre como se dá a interação e os choques
  (interação elástica à distância) e, por outro, ao
  se convencerem da conservação da energia,
  percebam que argumentos anteriormente utilizados
  contra esse princípio podem ser úteis na
  compreensão da segunda lei da termodinâmica
  (relativos à dissipação da energia sobre os
  diversos graus de liberdade existentes) (2)
  discutir a questão da criação e (necessidade ou
  não de) manutenção do mundo, que aparecem
  historicamente ligadas à questão da conservação
  da energia e introduzem o debate sobre
  transformações irreversíveis, pensadas nesse
  momento como opostas à conservação da energia
• Motivação a conservação da energia entra em
  aparente contradição com a maioria das
  experiências do cotidiano. A conseqüência é uma
  separação, na cabeça do estudante, entre o
  universo da sala de aula, no qual vale a
  conservação da energia, e o mundo real, onde ela
  não vale. Essa aula visa debater essas questões,
  tentando unificar esses dois mundos.
• Conteúdo físico Primeira e Segunda leis da
  termodinâmica. (pré-requisito leis de Newton)
• Recursos Saliva, giz, lousa.
• Material didático textos de Newton.
• Momentos da aula (1) Divisão da sala em grupos
  para ler o texto abaixo reproduzido e resumí-lo
  (30 min) (2) Discussão do texto (30 min)

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Aula 3 Esfriamento da Terra - âmbito
termodinâmico

• Tema da aula discussão de transformações
  irreversíveis de sistemas termodinâmicos, não
  mais supondo que o mundo é composto de
  "partículas simples".
• Objetivos remeter a experiências cotidianas
  (buscando generalizá-las) que ilustrem a
  irreversibilidade das transformações e,
  aparentemente, questionem a conservação da
  energia. Em especial, discutir, utilizando
  argumentos historicamente levantados, a questão
  do resfriamento da Terra.
• Motivação as aulas anteriores trataram do
  universo pensado através do conceito de
  partículas esta pensará o universo
  termodinâmico, em que não se entra no mérito da
  composição última da matéria. Essa abordagem é
  seguramente menos abstrata que a anterior e
  permite problematizar outras experiências do
  cotidiano, que não seriam discutidas dentro da
  concepção mecanicista de mundo.
• Conteúdo físico Primeira e Segunda leis da
  termodinâmica.
• Recursos Saliva, giz, lousa.
• Momentos da aula aula expositiva e debate com os
  estudantes (60 min).

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Bloco 2 Formalização das 2 leis da termodinâmica.
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Aula 4 Conversão da Energia

• tema da aula experiências de conversibilidade
  entre formas de energia.
• objetivos Mostrar e discutir exemplos de
  conversão de energia através de experimentos
  didáticos.
• motivação a idéia de conservação da energia é um
  dos pilares da física (seja clássica ou moderna)
  e a conversão entre as diversas formas de energia
  é, além de importante para auxiliar a compreensão
  da primeira lei da termodinâmica, fundamental
  para o entendimento de questões cotidianas, desde
  política energética até o funcionamento de
  eletrodomésticos.
• conteúdo físico Primeira lei da termodinâmica.
• recursos Saliva, giz, lousa.
• material didático experimentos do site do prof.
  Luiz Ferraz Netto
• momentos da aula (1) divisão da sala em grupos
  para realização das experiências (20 min) (2)
  cada grupo demonstra a experiência aos demais e
  procura explicá-la (40 min).

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Aula 5 e 6 Formalização da primeira e da segunda
lei

• Tema das aulas formalização da primeira e da
  segunda lei da termodinâmica.
• Objetivos das aulas 5 e 6 mostrar como é
  possível resolver os aparentes conflitos entre
  conservação e dissipação da energia, dando
  respostas aos problemas colocados desde a
  primeira aula e chegando à expressão formal das 2
  leis da termodinâmica.
• Motivação das aulas 5 e 6 essas aulas são a
  conclusão do projeto exposto no início desse
  trabalho solucionar os aparentes conflitos entre
  conservação e dissipação da energia contribui
  para a diminuição da distância entre o mundo da
  sala de aula (onde vale a conservação da energia)
  e o mundo real (onde ela não vale).
• Conteúdo físico Primeira e Segunda leis da
  termodinâmica.
• Recursos Saliva, giz, lousa.
• Material didático textos de Carnot,Clausius e
  Kelvin.
• Momentos da aula 5 (1) Discussão da questão,
  levantada na aula anterior todo calor que sai da
  fonte quente chega à fonte fria? (15 min) (2)
  leitura de textos de Carnot e Kelvin que
  problematizam a questão (20 min) (3) discussão
  da experiência de Joule e formulação da primeira
  lei da termodinâmica (25 min).
• Momentos da aula 6 (1) Discussão da questão,
  levantada nas 2 aulas anteriores é
  imprescindível que haja duas fontes de calor para
  que se possa transformar calor em trabalho? (25
  min) (2) leitura de textos que expressam a
  segunda lei da termodinâmica (10 min) (3)
  discussão dos textos e da equivalência entre as
  proposições (25 min).

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Bloco 3 Sistemas que permanecem fora do
equilíbrio
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Aula 7 Equilíbrio

• Tema da aula aprofundamento da idéia de
  equilíbrio e os limites implícitos da segunda
  segunda lei
• Objetivos precisar a idéia de equilíbrio
  macroscópico, introduzindo o conceito de
  equilíbrio dinâmico. Analisar o equilíbrio de
  concentrações químicas em uma célula biológica
  para explicitar a validade da segunda lei apenas
  para sistemas isolados
• Motivação a noção de equilíbrio e de que a
  termodinâmica (de equilíbrio) tem validade apenas
  em situações específicas ilustra que as teorias
  físicas têm limitações e prepara os estudantes
  para a compreensão (por um viés físico) de
  problemas relativos a fenômenos fora do
  equilíbrio como problemas tipicamente
  interpretados como pertencentes à biologia.
• Conteúdo físico Primeira e Segunda leis da
  termodinâmica.
• Recursos Saliva, giz, losa e "aquário de
  difusão".
• Material didático Texto sobre canais iônicos e
  concetrações químicas em uma célula animal.
• Momentos da aula (1) "Aquário de difusão" (em um
  aquário cheio de água derramar uma colher de
  algum corante, p.e. anilina) e posterior
  discussão sobre quando que o sistema água-corante
  está em equilíbrio (15 min) (2) Divisão da sala
  em grupos para leitura de texto (reproduzido
  abaixo) e resposta de perguntas (15 min) (3)
  Discussão das respostas e exposição em lousa da
  bomba de Na-K e seu papel (10 min) (4) Discussão
  sobre o isolamento ou não do sistema em questão
  (20 min).

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Aula 8 Auto-organização

• Tema da aula panorama da física dos fenômenos
  fora do equilíbrio
• Objetivos discutir os conceitos de fluxo e
  sistemas abertos apartir da análise do fenômeno
  da vida, dando ênfase no fato de a vida ser um
  fenômeno fora do equilíbrio. Relatar experiências
  físico-químicas em que ocorre o surgimento de
  estruturas organizadas. Fazer uma breve
  apresentação do conceito de auto-organização e de
  teorias para trabalhar com eles.
• Motivação a relevância dos temas sugeridos diz
  respeito à apresentação de conceitos ainda em
  formação em físca e extremamente férteis para
  analogias em outras áreas do conhecimento.
• Conteúdo físico Primeira e Segunda leis da
  termodinâmica. Auto-organização.
• Recursos Saliva, giz, losa e experiência de
  cultivo de um feijão.
• Material didático Texto de Henri Atlan.
• Momentos da aula (1) Análise da experiência de
  plantação do feijão (com algumas semanas de
  antescedência o professor deverá em sala de aula
  plantar dois grãos de feijão e um será privado de
  água e luz enquanto o outro não) com discussão
  sobre o porquê do desenvolvimento de uma das
  sementes, se elas estão em equilíbrio e se os
  sitemas estão isolados (10 min) (2) Leitura
  individual do texto e disussão acerca da questão
  do pé de feijão e do ser humano serem estruturas
  organizadas ou não (30 min) (3) Exposição sobre
  o conceito (ainda cientificamente aberto) de
  auto-organização e seus componentes (20 min).

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Referências

• 1 KOYRÉ, Alexandre. Do mundo Fechado ao
  Universo Infinito. Forense Universitária, 2001.
• 2 BRUSH, Stephen G. The kind of motion we call
  heat, v. 2. Elsevier Science Publishers, 1992.
• 3 BRECHT, Bertold. A vida de Galileu.
• 4 ATLAN, Henri. Entre o Cristal e a Fumaça
  Ensaio sobre a organização do ser vivo. Jorge
  Kahar Ed., 1992.
• 5 NUSSENZVEIG, Moysés H. Curso de Física
  Básica, v. 2. Edgard Blücher, 1981.
• 6 SALINAS, Sílvio R. A. Introdução à Física
  Estatística. Edusp, 1999.
• 7 KANDEL, Eric R., SCHWARTZ, James H., JESSEL,
  Thomas M. Fundamentos da Neurociência e do
  Comportamento. Guanabara Koogan, 1997.
• 8 BERNARDES, Newton. Ordem e desordem uma
  avaliação crítica da situação. Ci e Cult., 40
  (5) 473-477, 1988
• 9 DEBRUN, Michel. Por que, quando e como é
  possível falar em auto-organização? In.DEBRUN,
  Michel., GONZALES, M. E. Q., PESSOA Jr., O.
  (org.) Auto-organização. Coleção CLE, 18
  xxxiii-xliii, 1996.