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umidade relativa do ar, Ênfase em engenharia .Operações unitarias, passagem de ar em secador .
Tipologia: Resumos
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**1. INTRODUÇÃO
UFMT | Instituto de Física | Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências Naturais | 7 IN T R O D U Ç Ã O 1 O material contido neste manual tem como público alvo, professores que realizam atividades de ensi- no de variáveis meteorológicas com ênfase na umidade relativa do ar, podendo ser aplicados para alunos de nível fundamental II e médio. O manual é o Produto Educacional apresentado ao Programa de Mestrado Profissional em Ensino de Ciências Naturais, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ensino de Ciências Naturais, desenvolvido pelo Professor João Américo Esganzela, sob orientação do Prof.Dr.Marcelo Paes de Barros. Este produto educacional trata de aulas planejadas e material de apoio com a utilização do psi- crômetro para o ensino de variáveis meteorológicas com ênfase na unidade temática umidade relativa do ar. Este tema, geralmente neglenciado pelos livros didáticos de Física em uso atualmente, curiosamente e diariamente é apresentado pelos serviços de meteorologia que nos enche de informações a respeito do tempo nas mais diferentes regiões do Planeta. Assim, considerando que o conhecimento da grandezaumi- dade relativa do ar é tão importante quanto da temperatura do ar, foi possível perceber a necessidade de desenvolver este material com um tema presente em nosso dia-a-dia, mas ainda escasso, em quantidade e significado, dos livros didáticos de Física, indo de encontro a proposição feita pelos Parâmetros Curricu- lares Nacionais(PCNs). Segundo os PCNs as competências para lidar com o mundo físico se constroem em um presente con- textualizado, em articulação com competências de outras áreas, impregnadas de outros conhecimentos com a experimentação sempre presente ao longo de todo o processo de desenvolvimento dessas competências, privilegiando-se o fazer, manusear, operar, agir, em diferentes formas e níveis. Este Produto Educacional foi concebido neste contexto experimental, considerando sempre o co- nhecimento prévio e a vontade de apreender do educando, precursores da aprendizagem significativa Aus- beliana.
8 | Instituto de Física | UFMT O instrumental para a condução deste trabalho esta baseado na utilização de um aparelho denominado Psicrômetro , também conhecido como termômetro de bulbo seco e bulbo úmido, para medidas da umidade relativa do ar. A escolha do equipamen- to se justifica pela facilidade da observação dos fenômenos da Física Térmica, relacio- nados a umidade relativa do ar, presentes no funcionamento deste. Um Psicrômetro consiste em um instrumento formado por dois termômetro, fixa- dos em um único suporte. Um dos termômetros com bulbo seco e o outro com o bulbo molhado. Este último tem esse nome, porque seu bulbo é envolvido geralmente por um algodão umedecido.Sua temperatura é sensivelmente menor do que a do termômetro de bulbo seco, que marca a temperatura ambiente. Essa diferença de temperatura en- tre os termômetros é o dado fundamental para o estudo de umidade relativa (LEÃO, 2005). As aulas foram planejadas com uma metodologia que permite acompanhar o pro- cesso de aprendizagem dos alunos, procurando manter um nível matemático relativa- mente acessível para que o mesmo possa ser compreendido por estudantes de ensino fundamenta II e médio e professores sem a formação em Física.Os professores que pretendem utilizar esta proposta podem escolher, segundo a sua realidade, montar o psicrômetro com termômetros fixados em um suporte ou um aparelho já montado. Por fim, vale resaltar ainda que esta proposta visa fornecer ao professor mais um instrumento para o ensino das variáveis meteorológicas com ênfase na umidade relativa do ar, que proporcione aos educandos uma participação ativa e crítica no processo de ensino e aprendizagem.
10 | Instituto de Física | UFMT
UFMT | Instituto de Física | Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências Naturais | 11 O referencial teórico adotado para estas aulas foi a Teoria da Aprendizagem Significativa de David Ausubel. Esta Teoria explica a aquisição de novos conceitos em uma visão cognitivista. A interação com elementos da estrutura cognitiva prévia do aluno com um novo conhecimento de forma não aleatória e relevante ao educando, poderá ocorrer em aprendizagem. Logo, o fator isolado mais importante para a aprendizagem é aquilo que o aluno já sabe. “Se tivéssemos que reduzir toda a psicologia educacional a um princípio, diríamos o seguinte: o fator singular mais importante que influência a aprendizagem é aquilo que o aprendiz já sabe. Descubra isso e ensine-o de acordo” (AUSUBEL, NOVAK, HANESIAN, 1980, p.137). O conhecimento prévio existente na estrutura cognitiva do aluno que se relaciona de uma forma específica e relevante com uma nova informação é definido dentro da teoria Ausubeliana como subsunçor. “O ‘subsunçor’ é, portanto, um conceito, uma idéia, uma proposição, já existente na estrutu- ra cognitiva, capaz de servir de ‘ancoradouro’ a uma nova informação de modo que esta adquira signficado para o sujeito”. (MOREIRA, 1999, p.11). FU N D A M E N TA Ç Ã O TE Ó R I C A 2 AP R E N D I z A G E M S I G N I F I C AT I VA D E D AV I D A U S U B E L
UFMT | Instituto de Física | Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências Naturais | 13 UM I D A D E R E L AT I VA D O A R O ar atmosférico é uma mistura de gases contendo cerca de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e pequenas quantidades de dióxido de carbono, vapor de água e outros gases (TIPLER, 1995). A pressão total exercida pela atmosfera é a soma das pressões parciais dos gases que a constituem, pois, segundo a Lei de Dalton cada um dos gases tem comportamento independente um dos outros (SEARS, 1984). Verificamos que a pressão parcial de um dos gases da mistura é aproximadamente a mesma que exerceria a componente sozinha. A quantidade de vapor de água presente no ar depende do local e das condições atmosféricas, sendo definida como umidade absoluta, expressa geralmente em gramas de água por quilograma de ar seco. A evaporação de um líquido dentro de uma sala fechada, por exemplo, aumenta o número de partículas de água na fase de vapor pre- sente no ar, aumentando a umidade absoluta e consequentemente aumentando também a pressão parcial do vapor de água. No entanto existe um limite para a quantidade de moléculas da substância na fase vapor presente no ar. Nesse limiar ocorre um equilíbrio dinâmico entre a evaporação e a condensação, momento em que o ambiente fica saturado de vapor e a pressão parcial de vapor passa a ser chamada de pressão de saturação. Um ambiente é dito como satu- rado quando possui a quantidade máxima de vapor de água que produz esta pressão. A pressão de saturação aumenta com a temperatura do ar, assim, quanto maior a temperatura do ar, é necessária uma maior quantidade de partículas de água na atmos- fera para saturar este ambiente. Segundo Barros (2009), para o estudo do conforto térmico humano é mais interes- sante conhecer a umidade relativa à umidade de saturação do que conhecer a umidade absoluta do ar atmosférico. A Umidade Relativa do Ar também regula a taxa de evapo- ração da água de uma superfície água-ar, no sentido que esta será mais rápida quando a pressão do vapor for baixa, menor umidade relativa do ar, e mais lenta quando a umi- dade relativa do ar for alta. Quando a Umidade Relativa for 100%, equilíbrio dinâmico entre a evaporação e a condensação, não será percebida a evaporação (SEARS, 1984). Figura 01: reservatório a e B Reservatório A Reservatório B TA = TB, VA = VB e PB > PA
14 | Instituto de Física | UFMT A Umidade Relativa do Ar (UR) é definida como a relação, expressa em por- centagem, entre a umidade absoluta e a umidade no seu ponto de saturação para deter- minada temperatura, ou ainda, a relação entre as pressões parcial de vapor e a pressão de saturação, à mesma temperatura (SEARS, 1984). pressão parcial de vapor de água pressão de saturação a mesma temperatura UR% =. 100% (^) equação 1 Tabela 1: Relação entre saturação e temperatura do ar Quantidade de vapor de água que satura o Ar (g/m^3 ) Temperatura (oC) 0 20 40 60 80 100
Fonte: vareJão-siLva, 2006 25 g de vapor d’água 1 m^3 Umidade Relativa: 50 % 40 oC Figura 2: exempLo 01
Quando a pressão parcial de vapor for igual à pressão de saturação, à mesma tem- peratura, a Umidade Relativa é de 100% e a atmosfera está saturada. Exemplificando, conforme valores apresentados na Tabela 1, uma mistura ar-água que contenha 25 g de vapor de água por 1m^3 de ar a 40 °C apresentará uma umidade relativa de 50%. Assim, reduzindo a temperatura da mistura, sem ser retirada água do ar, a umidade relativa aumenta, podendo ocorrer à saturação, UR = 100%. No mesmo exemplo 01, se a tem- peratura fosse reduzida para 20°C, a nova umidade relativa do ar seria de 100 % e 5g do vapor de água condensariam. Caso a temperatura continue a diminuir, depois de atingida a satura- ção do ar, haverá condensação de água sobre as superfícies, em função da tem- peratura e condutividade destas. Resumindo, a saturação de uma amostra de ar úmido pode ser atingida por um dos seguintes processos (ROSE, 1966).
16 | Instituto de Física | UFMT A queda da umidade no período da seca favorece o aparecimento de queimadas, urbanas e rurais. Estes eventos deixam o ar ainda mais poluído, que, associado ao res- secamento das vias aéreas, favorece o aparecimento de problemas respiratórios, onde crianças e idosos são os mais afetados. A presença de vegetação ou espelhos de água aperfeiçoa o processo de evaporação aumentando assim a umidade relativa do ar. Este efeito foi percebido por Sanches& Zamparoni (2004), em estudo realizado no centro histórico de Cuiabá, em períodos de seca e chuva. Nesse trabalho, foram encontradas menores temperaturas nas proximida- des das áreas verdes e das praças arborizadas dessa região e maiores temperaturas, com valores baixos de umidade relativa, próximo, de grandes avenidas, áreas pavimentadas e dos calçadões, em especial no período vespertino. Em nossas casas, devemos fazer o uso de umidificadores e toalhas molhadas no sentido de aumentar a umidade relativa do ar. PS I C R ô M E T R O Para medidas diretas da umidade relativa do ar, são utilizados aparelhos denomi- nados Psicrômetros, também conhecidos como termômetros de bulbo seco e bulbo úmido. Um Psicrômero consiste em um instrumento formado por dois termômetros, fixados em um único suporte. Um dos termômetros com bulbo seco e o outro com o bulbo molhado. Este último tem esse nome, porque seu bulbo é envolvido geralmente por um algodão umedecido. Sua temperatura é sensivelmente menor do que a do ter- mômetro de bulbo seco, que marca a temperatura ambiente, pois a água embebida no algodão retiracalor deste para sua evaporação em uma quantidade na razão inversa à umidade presente no ar. Essa diferença de temperatura entre os termômetros é o dado fundamental para o estudo de umidade relativa do ar que pode ser estimada pela equa- ção (LEÃO, 2005). (p - pw)(ts - tu) 15555 - 0,72tu pv = pw - (^) equação 2 Onde:
UFMT | Instituto de Física | Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências Naturais | 17 C A R TA P S I C R O M é T R I C A Uma carta psicrométrica traz as propriedades da mistura de ar e vapor de água constituídas na atmosfera em uma forma gráfica. Este tem como ordenada a umidade específica e a pressão de vapor e, como abscissa, a temperatura do buldo seco e o volu- me específico. A umidade específica corresponde como sendo a razão da massa do vapor de água para a massa de ar seco em um dado volume da mistura, enquanto que o volume específico é a razão entre o volume total de ar seco pela massa em uma determinada mistura. Na carta psicrométrica também são encontrados outros parâmertos, como a temperatura do termômetro de bulbo molhado,a entalpia e a umidade relativa. Todas estas propriedade são analizadas em geral a uma pressão barométrica de 1 atm.Para a utilização da Carta Psicrométrica é necessário saber a temperatura do ter- mômetro de bulbo seco (ts)e a temperatura do termômetro de buldo úmido (tu), fazendo assim uma intersecção das temperaturas na carta, conforme figura 05. Figura 05. carta psicrométrica. Fonte: Leão, J. psicrômetro medida da umidade reLativa do ar.
UFMT | Instituto de Física | Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências Naturais | 19 MO N TA G E M D O P S I C R ô M E T R O
Prenda os dois termômetros na posição vertical, utilizando o suporte. Encha o copo com água e molhe. Envolva o bulbo de um dos termômetros com algodão e prenda-o de forma que a ponta do algodão permaneça em contato com a água do copo. Esse ter- mômetro é chamado de termômetro de bulbo úmido e o outro de termômetro de bulbo seco. MAT E R I A I S E M é T O D O S 3 Figura 06: psicrômetro montado Fonte: ponto ciência
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