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4. RESULTADOS
Neste capítulo apresentaremos e discutiremos as respostas dos alunos aos tes- tes de conhecimento prévio e posterior ao ensino da disciplina Físico-Química I. Do contraste entre essas informações procuraremos evidenciar a facilitação da aprendizagem significativa da termodinâmica por nossa proposta de ensino. O conhecimento prévio ao ensino foi avaliado por meio das respostas ao questionário apresentado no Apêndice 3, das quais extraímos conceituações de energia, energia interna, calor e trabalho e resoluções de problemas. Os alunos também confeccionaram mapas conceituais em que identificamos os modos pelos quais estruturaram os conceitos da primeira lei da termodinâmica (energia, energia interna, calor e trabalho) e como os relacionavam. Experimentamos nossa proposta de ensino em três turmas diferentes, uma a cada semestre nos quais ensinamos a disciplina. Também tivemos oportunidade de aplicar o questionário noutra turma em que não atuamos como professor, aumentando o número de informações sobre os conceitos e os problemas. Por falta de tempo não foi possível construir mapas conceituais com este quarto grupo de alunos. O conhecimento dos alunos após o ensino foi avaliado através de mapas concei- tuais e resolução de problemas nas provas da disciplina. A comparação entre os mapas conceituais prévios e posteriores ao ensino permite verificar a ocorrência de mudanças de hierarquia e de significado dos conceitos da primeira lei da termodinâmica. A compa- ração entre os modos de resolver problemas, revela relações entre conceitos termodi- nâmicos e entre descrições textuais e matemáticas de fenômenos estudados pela ter- modinâmica, antes e após o ensino.
4.1 CONCEITOS DA PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
PRÉVIOS AO ENSINO
4.1.1 CONCEITO DE ENERGIA
A conceituação da energia apresentou sérias dificuldades. Cerca de 48% dos a- lunos afirmou desconhecer ou não lembrar o que é energia, ou não deu qualquer res- posta. Isto se deveu, em parte, ao fato do teste aplicado ser constituído por questões abertas, permitindo que os termos não fossem conceituados, embora houvesse sido so- licitado aos alunos que buscassem de algum modo exprimir os conceitos pedidos. Os estudos sobre concepções de energia de alunos, em geral, empregam questões com alternativas, induzindo a algum tipo de resposta [^97 ]. A negação de exprimir o que seja energia, um termo de tão ampla e freqüente aplicação no cotidiano, nos leva a inferir que se trata mais de uma atitude de preserva- ção dos alunos, evitando expor-se, que da ausência do conceito. Examinando as res- postas dos outros estudantes (abaixo) podemos notar suas dificuldades de emprego da linguagem, constatada na totalidade dos alunos durante as aulas de discussão de pro- blemas. Aqueles que preferiram não conceituar energia teriam tido mais dificuldade de organizar suas idéias a respeito, no momento do teste. As demais respostas podem ser agrupadas em algumas categorias, mostrada na Figura 4-1 e discutidas a seguir.
[ 97 ] Ver, por exemplo, TRUMPER, Ricardo. A survey of conceptions of energy of Israeli preservice high school biologyteachers. International Journal of Sience Education , v.19(1), p. 31-46, 1997.
trado em livros do ensino fundamental por exemplo [^99 ]: “Sempre que acontece algo com a matéria existe participação de energia. Podemos dizer, de forma simples, que a energia é algo capaz de produzir um esforço, um trabalho, um movimento, uma mudan- ça na matéria.” A mudança também é vista sob a forma da entrada e saída de algo, libera- ção/perda ou absorção/ganho de energia:
É algo que por influência do ambiente é ganho ou é perdido. É algo que pode ser liberada ou absorvida. É a forma sob a qual o calor é liberado. É qualquer manifestação gerado num processo. Por exemplo: a explosão de uma bomba libera energia; o aquecimento da água libera energia calorífera. Estas últimas respostas são semelhantes às encontradas por Watts [^100 ] e identi- ficadas como “produto”, pelo fato da energia aparecer como resultado de um processo. A noção de armazenagem da energia também se encontra presente, de modo implícito, o que pode servir de âncora para o ensino do conceito de energia interna. Por outro lado, a liberação e a absorção de energia são interpretáveis como transferências de energia entre sistema e vizinhanças, podendo vir a facilitar o ensino dos conceitos de calor e trabalho.
- TRABALHO A conhecida definição mecanicista de energia como capacidade de realizar tra- balho aparece como resposta majoritária nessa categoria. Algumas variações desse ti-
[ 99 ] SILVA JR., César da, SASSON, Sezar, SANCHES , Paulo Sérgio Bedaque.ed. São Paulo : Saraiva, 1993. Ciências: entendendo a natureza. 3a [ 100 ] WATTS. D. Michael. Some alternatives views of energy. Physics Education , v.18, p. 213-217, 1983.
po de associação apresentada pelos estudantes são:
Algo que realiza trabalho. É tudo aquilo que proporciona trabalho, como no caso de um processo isotérmico em que calor é convertido em trabalho. É algo ao qual podemos associar trabalho, que é seu equivalente mecânico.
Há quem defina energia como quantidade de trabalho
É o valor do trabalho necessário para levar um sistema de um estado inicial a outro.
ou como potência
É a quantidade de trabalho realizado num espaço de tempo.
A definição da energia a partir do trabalho é difundida por livros didáticos de físi- ca [^101 ] e química [^102 ] para o ensino médio, embora também em nível universitário a energia seja introduzida como um conceito mecânico, para depois ser diferenciado, en- globando o calor como uma das formas de energia [^103 ]. Esta é, possivelmente, a causa para que os alunos apresentem esta concepção de energia. Em defesa dessa abordagem Warren afirma que a energia “só pode ser compre- endida se o estudante antes domina várias idéias básicas difíceis (particularmente força
e trabalho, e o conceito geral de conservação) e possui um extenso conheci-
[ [ 101 102 ] MÁXIMO, Antônio, ALVARENGA, Beatriz. (^) ] FELTRE, Ricardo. Química. 4a (^) ed. São Paulo : Moderna, 1994. v.2, p. 128. Física. São Paulo : Scipione, 1997. p. 237. [ 103 ] RESNICK, Robert. Op. Cit., v.1 e v.2.
Medida de vibração das moléculas. Grau de vibração das moléculas de um sistema. Termo utilizado para quantizar o grau de agitação das partículas de uma certa por- ção de matéria.
Outros tipos de associação ocorrem com choques de partículas, movimento e interação moleculares:
É o choque entre as partículas quando submetidas a um aumento de temperatura. Conjunto caracterizado por partículas e seu movimento. Capacidade que moléculas, átomos ou qualquer outra espécie possui de locomover e interagir com outras espécies. Na disciplina de Física Geral anterior à de Físico-Química há um capítulo sobre teoria cinético-molecular da matéria aplicada aos gases. Nessa teoria, a energia interna de um gás é identificada com a energia cinética das partículas que o constituem, prová- vel razão para o aparecimento dessa concepção de energia entre as respostas dos alu- nos. A existência de alguma relação entre energia e movimento das moléculas, ape- sar da precariedade das conceituações expostas, pode servir de ponto de partida para o ensino da energia interna como a soma das energias cinéticas moleculares com a e- nergia de interação das moléculas. Embora o ensino da termodinâmica seja predomi- nantemente fenomenológico, não pode prescindir de algumas interpretações com base em modelos corpusculares da matéria, como as variações de temperatura que ocorrem em expansões e compressões adiabáticas, por exemplo.
[ 108 ] LEHRMAN, Robert L. Energy is not the ability to do work. The Physics Teacher , v.11(1), p. 15-18, 1973.
- MATÉRIA ou QUASE-MATÉRIA As respostas incluídas nessa categoria referem-se à energia como substância ou com atributos quase-materiais:
Energia seria uma “substância” que pode ser armazenada ou transformada em tra- balho, calor e outras formas de energia. É a essência primária do universo que o compõe em todas as suas formas e esta- dos de agregação. A definição física é a seguinte: matéria descondensada. É uma grandeza inerente a qualquer coisa que forma massa.
A materialização ou quase-materialização da energia é um fato conhecido na pesquisa sobre as concepções dos alunos [^109 ], havendo mesmo quem advogue seu ensino com base nessa idéia [^110 ]. O conceito de energia como substância não se res- tringe aos alunos, mas é também encontrado em livros de ciências do ensino funda- mental [^111 ] e ao longo da história da física [^112 ] como, por exemplo, os conceitos de ca- lórico e fluido elétrico. Um exame da estrutura dos conceitos de energia e de matéria, do ponto de vista fenomenológico [^113 ], nos mostra que ambos possuem atributos como: conservação,
[ [ 109 110 ] HIERREZUELO, José, MONTERO, Antonio. (^) ] SCHIMID, G. Bruno. Energy and its carriers. La ciencia de los alumnosPhysics Education , v.17, p. 212-218, 1982.. Barcelona : Laia/MEC, 1989. p.139. [ 111 ] LEMBO, Antônio, MOISÉS, Hélvio, SANTOS, Thaïs.51-52. Ciências: o corpo humano. São Paulo : Moderna, 1992. p. [ 112 ] DUIT, Renders. Should energy be ilustrated as something quasi-material? cation , v.9(2), p.139-145, 1987. International Journal of Science Edu- [ 113 ] SILVA, José Luis P. B., RESINES, Jose A., DE LA FUENTE, Maria Tereza. La diferenciación entre materia yenergía en la enseñanza secundaria. Anales del 2o (^) Simposio sobre La Docencia de las Ciencias Experimen- tales en la Enseñanza Secundaria. Madrid : Colegio Oficial de Biólogos, 1998. p.175-177.
trabalho, movimento molecular, matéria e multiformidade. De todas as respostas obti- das apenas 5% não puderam ser categorizadas desse modo. O número das categorias que se apresentaram em cada semestre investigado variou entre duas e cinco, confor- me o número de estudantes que responderam ao teste de conhecimento prévio. O crité- rio empregado para a seleção foi o comparecimento da concepção por mais de uma vez. Os dados mostram que os alunos ingressos na disciplina Físico-Química I durante o período investigado não possuíam o conceito científico de energia, cuja es- trutura é mostrada na Figura 3-3. Nenhuma das respostas referiu-se à conservação, da energia, seu principal atributo. Outras características gerais da energia — contenção, transferência, conversão e multiformidade — pouco foram citadas e, algumas vezes, apenas de modo implícito.
4.1.2 CONCEITO DE ENERGIA INTERNA
O conceito de energia interna é conhecido da maioria dos alunos. Sua ausência nas respostas dos testes foi de 20%. As concepções externadas (exceto 6%) foram a- grupadas nas seguintes categorias:
FIGURA 4-2: CONCEPÇÕES DOS ALUNOS SOBRE ENERGIA INTERNA
1. ENERGIA DO SISTEMA
Os alunos concebem, majoritariamente, a energia interna como a ener- gia do sistema. Alguns exprimem sua idéia de maneira direta:
Energia de um sistema fechado. Energia contida em um corpo. Energia dentro de um sistema.
porém, a variedade das respostas demonstra a pluralidade de significados que o quali- ficativo interna, associado à energia, evoca nos alunos: energia intrínseca ( Energia in- trínseca dos corpos .), energia possuída ( É a energia que um sistema possui, não po- dendo ser medida, somente pode ser medida a sua diferença uma vez ocorrido algum processo no sistema .), energia contida ( É a energia característica contida no interior de um sistema .), energia própria, energia armazenada ( Energia própria, armazenada, em cada corpo .), energia disponível ( Energia disponível em um corpo .), energia total ( Ener- gia total de um sistema. ). Esta concepção é bem adequada aos nossos propósitos, pois consideramos a energia interna, do ponto de vista fenomenológico, como a energia possuída pelos sis- temas em virtude de sua existência material (ver Apêndice 1). Ademais, a idéia de con- tenção da energia que os alunos possuem é bem clara e certamente contribuirá na construção de um conceito superordenador de energia.
- ENERGIA DAS MOLÉCULAS DO SISTEMA A segunda concepção mais freqüentemente manifesta pelos alunos é que a e- nergia interna está associada às moléculas que compõem o sistema. Como já vimos, uma relação desse tipo ocorre também com o conceito de energia.
Energia de um sistema que está ligada ao distanciamento entre as partículas e à a- gitação das mesmas. A interpretação molecular da energia interna é necessária para o entendimento de alguns fenômenos de interesse, como as variações de temperatura decorrentes de uma variação de volume ou de uma reação química que ocorre em um sistema. A exis- tência de algum tipo de associação entre energia interna e energia das moléculas do sistema é o ponto de partida para o ensino do conceito de energia interna como energia de movimento e interação molecular.
- ENERGIA COMO FUNÇÃO DA TEMPERATURA Essa concepção possivelmente tem sua origem na aprendizagem de aspectos quantitativos da teoria cinético-molecular e da termodinâmica nas disciplinas anteriores, como pode ser inferido das seguintes afirmativas:
Num sistema, é a energia onde está envolvida a variação da temperatura. Através de uma série de considerações de ordem microscópica podemos chegar à que U = (3/2) nRT onde U: energia interna, R: constante dos gases e T: temperatura. Ma- croscopicamente temos que U = Q - W; onde Q: calor e W: trabalho.
Em um sistema onde existe troca de calor e variação de temperatura, a energia in- terna depende da temperatura, quando não há variação de temperatura energia in- terna = 0.
A primeira resposta é uma interpretação resultante da teoria cinética dos gases. A se- gunda decorre da aprendizagem mecânica de que a variação da energia interna do gás
ideal é função apenas da temperatura, como também se verá nas resoluções dos pro- blemas do teste de conhecimento prévio. Outras respostas são menos precisas no que toca à relação entre energia interna e temperatura:
Energia associadas as variações de temperatura do sistema. É uma variável de estado que está amarrada à temperatura.
De todo modo, a idéia de que a energia interna é uma função, ainda que impreci- sa e que se refira a apenas uma variável, serve de esteio para o futuro ensino dos as- pectos formais da termodinâmica.
- DEFINIÇÃO MATEMÁTICA Um quarto tipo de concepção é que a energia interna é tão somente uma variável computacional necessária na termodinâmica. Desse modo sua conceituação seria ape- nas matemática:
Energia interna não é energia interior; é a energia de cuja variação é representada pela quantidade de calor e o trabalho produzido no sistema. Se temos um corpo e fornecemos a ele uma quantidade Q de calor e ele realiza um trabalho W, a energia interna do corpo é dada por ∆U = Q - W, ela é a diferença en- tre o calor fornecido e o trabalho realizado por um sistema. É a diferença entre a quantidade de calor fornecido e o trabalho realizado pelo sis- tema. Essa idéia poderia ser obstáculo à aprendizagem da termodinâmica macroscópi-
FIGURA 4-3: CONCEPÇÕES DOS ALUNOS SOBRE TRABALHO
- ENERGIA A maioria dos alunos conceituou trabalho como energia, por exemplo:
Energia útil de um corpo. Energia despendida ou ganha por um sistema. É a energia que estava acumulada e que foi transformada ou transferida para outra posição ou estado.
Alguns procuraram ser mais específicos, explicitando uma finalidade para a e- nergia. Assim, o trabalho pode ter como objetivo a produção de movimento
É a energia gasta para que um corpo se desloque. Energia necessária para tornar um sistema dinâmico. É o fluxo de energia de um ponto para outro, capaz de produzir movimento.
ou uma mudança de estado
Energia usada para deslocar um sistema de um estado a outro. É a quantidade de energia gasta para modificar o estado de um sistema, ou utilizada pelo sistema sobre a vizinhança.
ou, o trabalho é vagamente associado a um processo
Energia gasta para realizar um processo. É a energia necessária para a realização de um processo. Energia gasta para acontecer algum processo. Pode ser positivo ou negativo. Aproveitamento de energia, para a realização de alguma atividade.
Um aspecto comum à grande parte das respostas dessa categoria é a visão do trabalho como energia consumida ( gasta, necessária, usada, utilizada ) para a realiza- ção de algo. Apenas uns poucos alunos detêm a noção de diminuição e aumento da energia do sistema a partir da realização de trabalho, seja de modo explícito
Energia cedida ou absorvida para levar um sistema do estado inicial a um estado fi- nal. Energia absorvida ou liberada que implica na modificação do sistema, dependendo apenas do seu estado inicial e final.
ou implícito
Trabalho é a variação de energia cinética, também é de configuração de um siste- ma.
Este é um conceito vinculado à equação fenomenológica ∆U = Q - W, cuja leitura nos informa que a energia interna de um sistema fechado pode variar por calor — “transferência de energia, sem transferência de massa, através da fronteira de um sis- tema devido a uma diferença de temperatura entre sistema e vizinhança” [^116 ] — ou por trabalho, que representa uma variedade de modos de transferir energia que possuem outras causas diferentes da temperatura. Por exemplo, se a causa é uma diferença de pressões entre sistema e vizinhança, ocorre trabalho mecânico (de variação de volu- me), se uma diferença de potenciais elétricos, ocorre trabalho elétrico (de transporte de carga), se uma diferença de tensão interfacial, ocorre trabalho mecânico (de variação de superfície), e assim por diante, cada tipo de trabalho associado a uma causa distin- ta. Apenas 4% dos alunos conceituaram trabalho como processo porém, de modo inadequado
É um processo físico ou químico onde se libera energia ou recebe energia. É um processo realizado através de energia, relacionado com a pressão e o volume de um determinado corpo ou meio. Processo no qual se gasta energia.
Embora a idéia de formas de energia tenha sentido na construção fenomenológi- ca do conceito de energia, uma vez aceita a conservação da energia e introduzido o conceito de transferência de energia, o trabalho adquire múltipla significação. Essa po- lissemia traz, obviamente, problemas à aprendizagem significativa que devem ser en- frentados no campo epistemológico, explicando-se a evolução conceitual da termodi- nâmica.
[ 116 ] Ibd., p. 34.
Contudo, há quem advogue a substituição do termo trabalho por outro como “va- riação na energia das vizinhanças mecânicas” [^117 ], ou simplesmente o ignore operando com variação de energia mecânica [^118 ]. O que os dois autores parecem esquecer é que o contexto científico é uma diferenciação do contexto social. Assim, o conceito mais amplo de trabalho se dá no nível social, polissêmico, comportando especificidades em várias áreas de estudo e no senso comum. Abolir o termo trabalho do jargão termodi- nâmico é negar-se à discussão da interpenetração dos diversos tipos de conhecimento que ocorrem no âmbito social. É, no mínimo, uma atitude irrealista de pretender fazer da termodinâmica um corpo de conhecimento isolado.
- FORÇA E DESLOCAMENTO As respostas constantes dessa categoria estabelecem, simultaneamente, rela- ções do trabalho com força e deslocamento
É a relação entre força e deslocamento. Quando uma força provoca o deslocamento de um corpo. É a quantidade necessária para promover um certo deslocamento em um sistema sob determinada força.
apenas, com força
É uma força aplicada a um meio capaz de provocar um deslocamento. É a ação de uma força sobre determinado corpo produzindo movimento. Trabalho é a força exercida pelo ou sobre o sistema pelo deslocamento.
[ 117 ] BARROW, Gordon M. Thermodynamicas should be built on energy — not on heat and work. Education , v.65(2), p. 122-125, 1988. Journal of Chemical [ 118 ] KEMP, H. R. The concept of energy without heat or work. Physics Education , v.19(5), p. 234-240, 1984.
