Demetrius Leão Michele Coelho Wellington Sampaio

Apresentação em tema: "Demetrius Leão Michele Coelho Wellington Sampaio"— Transcrição da apresentação:

1 Demetrius Leão Michele Coelho Wellington Sampaio
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENSINO DE CIÊNCIAS MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE CIÊNCIAS INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS/INSTITUTO DE FÍSICA/INSTITUTO DE QUÍMICA Disciplina:Metodologia do Ensino de Ciências Período: 1º/ 2010 Professora: Maria de Fátima Lettere Verdeaux Demetrius Leão Michele Coelho Wellington Sampaio

2 TERMODINÂMICA

3 Foram os primeiros seres a dominarem o fogo.
Homo erectus ( atrás) Foram os primeiros seres a dominarem o fogo.

4 Héron inventou a eolípila, um aparelho para medir a força do vapor.
HÉRON DE ALEXANDRIA (100 d. C.) Héron inventou a eolípila, um aparelho para medir a força do vapor.

5 GALILEU GALILEI ( ) Construiu um termoscópio rudimentar, que consistia num bulbo de vidro contendo ar

6 CALOR TEMPERATURA Joseph Black
Processo 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. TEMPERATURA Pelo uso do termômetro é possível medir o valor da temperatura em que o corpo se encontra. Joseph Black ( ), 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

7 “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]).

8 Pieter van Musschenbroek
Era adeptos da teoria dinâmica do calor, admitiam que corpos de volumes iguais à mesma temperatura possuíam as mesmas quantidades de calor; 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 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...”

9 UM “INTERROGATÓRIO” COM O CALOR
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. 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.

10 FLOGÍSTICO O 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.

11 Calor deveria ser uma forma de movimento
Benjamin Thompson Nasceu em, em uma fazenda em Woburn, Masachusets Casou-se com dezenove anos com uma viúva rica e foram morar na cidade de Rumford Foi espião da Inglaterra ( Eu era inglês, de coração) Abandonou a esposa e filha Introdutor da batata inglesa E da máquina a vapor no continente europeu Recebeu 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

12 1760 – A Teoria do Calórico já estava bem estabelecida
Entre 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

13 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

14 Voltando no tempo .... Três correntes de pensamento sobre a natureza do calor existiram desde a Antiguidade. Para Empédocles, por exemplo, o calor era uma substância, uma espécie de “fogo sutil”. Já para os atomistas, Demócrito e Leucipo, o calor era visto como uma conseqüência do movimento de partículas indivisíveis, constituintes da matéria comum. Para Aristóteles, entretanto, o calor era uma das qualidades primitivas da matéria, cujas combinações definiam os mesmos elementos já postulados por Empédocles. 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.

15 a teoria do calórico o calor de um corpo estava relacionado com a
“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”. Calórico é geralmente representado, de forma equivocada como sendo um fluido contínuo. a teoria do calórico o calor de um corpo estava relacionado com a quantidade do fluido calórico presente. Mas o calórico tinha a uma estrutura interna, do mesmo modo que a matéria ordinária, e essa era também uma estrutura de natureza corpuscular.

16 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.

17 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.”

18 Revolução Industrial (séc. XVIII)

19 As coporações de ofício medievais os primórdios do capitalismo...
AS ORIGENS As coporações de ofício medievais os primórdios do capitalismo...

20 A EVOLUÇÃO Produção manufatureira (séculos XV e XVI)
Sistema Fabril (século XVIII) Produção em Série

21 Por que na Inglaterra??? Controle do mercado consumidor;
Economia em expansão interna e externa. Oferta de mão-de-obra; Produção de tecidos de algodão;

22 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.

23 DENIS PAPIN ( ) 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.

24 Marmita de Papin

25 THOMAS SAVERY ( ) Engenheiro militar inglês que patenteou sua bomba a vapor, responsáveis por escoar a água de poços profundos, para retirada de carvão.

26 NEWCOMEN ( ) Construiu uma máquina a vapor mais aperfeiçoada, com cilindro e êmbolo, utilizada para retirar águas de minas.

27 JAMES WATT ( ) Melhorou a máquina de Newcomen, adaptando-a a um condensador externo, melhorando consideravelmente o rendimento das máquinas a vapor existentes.

28 Máquina de Newcomen Máquina de Watt

29 Linha do tempo... 1850 1865 1900 1930 1824 Carnot Máquinas A vapor 2ª lei 1842 Mayer Equivalente Mecânico 3,56 J/cal 1845 Joule 4,154 J/cal 1ª lei 1847 Helmoltz Formulação Matemática da 1ª lei Generalização da Conservação da Energia Clausius Entropia Nernst Entropia e o Zero absoluto 3ª lei Equilíbrio térmico

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

31 Sadi Carnot ( ) 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

32 “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

33 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.

34 Mayer Joule 1842 1845 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)

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

36 Energia de Joule James Prescott Joule foi uma vez O revolucionário industrial inglês quem fez Uso da sua jovem potencial energia Ligando-se na conservação que existia Enquanto transformava energia em energia De tanto tratar de tal tema Acabou virando unidade do sistema (Washington Lerias)

37 1847 “[...] 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

38 Síntese das teorias da conservação
Energia Estática Energia Dinâmica Potencial ou latente Real ou sensível Síntese das teorias da conservação Energia Cinética Energia Potencial 1851 Thomson 1852 a 1855 Macquorn 1867 Thomson / Guthrie 1853

39 Rudolf Clausius (1822 - 1888) 1850 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. 39

40 1865 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

41 Ludwig Boltzmann ( ) 1900 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 41

42 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 42

43 “É impossível reduzir a zero a entropia de um sistema”
Walter Nernst ( ) 1903 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” 43

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45 Entropia

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47 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

48 QUENTE OU FRIO? No frio eu me arrepio No quente fico ardente É frio no fundo do rio É quente no interior da gente É frio quando na noite gio Quente no dia de calor latente O quente sente o frio E o frio sente o quente Quando há o contato nato O quente esfria a sua energia E o frio se esquenta de fato Até que a parte quente não sente a fria E a fria não mais sente a quente (Washington Lerias) gio = verbo gear na primeira pessoa, como se o narrador pudesse gear com o efeito da geada.

49 ALGUMAS PROPOSTAS DIDÁTICAS...

50 HISTÓRIA DA TEMODINÂMICA

51 BIBLIOGRAFIA PÁDUA, 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. MEDEIROS, 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