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A história do desenvolvimento da ideia de equivalência entre trabalho mecânico e calor, com ênfase no trabalho de james prescott joule. O texto contextualiza os estudos de joule sobre o calor em relação às ideias anteriores de black, davy, dulong, faraday, e outros cientistas. Além disso, o documento discute os experimentos históricos de joule que levaram à determinação do equivalente mecânico do calor e a aceitação do princípio da conservação da energia.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Licenciatura Plena em Física da Universidade Estadual da Paraíba em cumprimento às exigências para obtenção do grau de Licenciada em Física.
Orientadora: Prof. Drª. Ana Paula Bispo da Silva
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Licenciatura Plena em Física da Universidade Estadual da Paraíba em cumprimento às exigências para obtenção do grau de Licenciada em Física.
Aprovada em 30 de novembro de 2012
Ao Pai, que me permitiu chegar até aqui. E ainda me dá forças pra voar mais alto.
Ao Programa Institucional de Iniciação à Docência (PIBID), e as pessoas que o compõem e o tornam possível, por despertarem em mim o desejo de buscar aprofundamento na área da docência.
Aos companheiros de curso, pela amizade, cooperação e até pelas discussões. Bruna, Francidézio, Felipe, Gilson, Juliana, Karla, Leide (você é pessoa muito especial, descobri em você uma amizade sincera), Sebastião, Tarsus, Téssio, Thiago e Wanderson. Apesar das diferenças, andamos juntos, chegamos ao esperado, e podemos dizer: valeu a pena!
À banca examinadora por ter aceitado o convite e pela disponibilidade.
À Universidade Estadual da Paraíba, à coordenação (Seu João, não seria o mesmo sem você) e aos professores do Departamento de Física, que contribuíram para minha formação acadêmica, pelo grande aprendizado que me proporcionaram ao longo desses cinco anos.
A todos que participaram direta e indiretamente, contribuindo para o meu caminhar. Meu sincero OBRIGADO e que Deus os abençoe!
“O dia está na minha frente esperando para ser o que eu quiser. E aqui estou eu, o escultor que pode dar forma a este dia”. (Albert Einstein)
“Ouve tu, filho meu, e sê sábio e dirige no caminho do teu coração”. (Provérbios 23:19)
During the 18th and 19th centuries, many researchers studied the nature of heat and its transformation. Among these, the experiments of James Prescott Joule are of great importance and considered one of the main examples on the relation between heat and mechanical work. In this work, we propose a lesson plan including Joule’s experiment on the mechanical equivalent of heat, followed by reading his original treatise on this subject, then finally considering secondary sources, such as videos and other readings on the nature of heat. In this lesson, we intended to achieve the national standards in science teaching, which establish the need of having students become critical thinkers capable of discussing science topics and their influence on their lives. Consistent with HPS in science teaching, we argue that the use of historical episodes like this can contribute to the discussion on the development of science and its nature and can also familiarize students with the life and work of scientists.
Keywords: history of science, historical experiments, mechanical equivalent of heat.
Figura 1 – (a) Perspectiva do aparato que Joule deu a seu trabalho........................................
Figura 1 – (b) Eixo do aparelho de atrito na vertical ..............................................................
Figura 1 – (c) Eixo do aparelho de atrito na horizontal .........................................................
Figura 1 – (d) Vaso de cobre ..................................................................................................
Figura 2 – (a) Perspectiva da montagem do experimento .......................................................
Figura 2 – (b) Eixo de atrito com 5 pás ..................................................................................
Figura 3 – (a) Eixo de atrito com 5 pás ..................................................................................
Figura 3 – (b) Eixo de atrito com apenas 2 pás .....................................................................
Figura 4 – Perspectiva da reprodução do aparato ...................................................................
Figura 5 – (a) Perspectiva na vertical do calorímetro..............................................................2 0
Figura 5 – (b) Eixo do aparelho de atrito na horizontal .......................................................... 20
Um número crescente de pesquisas tem defendido que a inserção de conteúdos sobre as ciências na educação científica propicia um diálogo entre os saberes e pode contribuir para o desenvolvimento das competências necessárias ao cidadão do século XXI (FORATO; PIETROCOLA; MARTINS; 2011). E com isso essas ideias são alcançadas a partir das diretrizes apresentadas nos Parâmetros Curriculares Nacionais, que objetivam formar cidadãos contemporâneos capazes de participar ativamente na sociedade e no mundo em que vivem (BRASIL, 2000), desenvolvendo nos estudantes um pensamento crítico e criativo, promovendo o desenvolvimento de competências relacionadas ao processo de ensino e aprendizagem. Episódios históricos bem explorados, tanto no contexto da fundamentação da teoria em si, quanto aos aspectos relevantes para seu estabelecimento, o que envolve o contexto em que a mesma foi desenvolvida, apresentam pontos em que é permitida uma conciliação entre os interesses de professores e historiadores quanto a uma melhor compreensão da natureza da ciência. Neste sentido, consideramos que o estudo de experimentos históricos tende a contribuir para a compreensão da prática experimental dos estudiosos, ajudando-nos a reconstruir as dimensões tácitas (implícita) de práticas do passado, na medida em que se entende o contexto histórico. Experimentos históricos, quando apresentados dentro de seu contexto, podem apresentar contribuição na discussão do método científico, na análise da visão empirista- indutivista predominantes nas ciências naturais (GIL PEREZ et al., 2001) e ainda estimular o professor/aluno na realização de experimentos de baixo custo (HEERING e OSEWOLD, 2007; HÖTTECKE, 2000). Ainda, episódios históricos que envolvem o estabelecimento de teorias, contribuem para uma visão interdisciplinar das ciências e também para mostrar questões éticas e sociais envolvidas. Através da análise histórica desses episódios é possível mostrar que a divisão em ramos das ciências naturais (como, por exemplo, a física dividida em termodinâmica, mecânica, estática, etc.; a biologia dividida em botânica, fisiologia, etc.) é apenas uma questão prática, pois as ciências naturais são um conjunto mais amplo, e estão ligadas com a matemática de uma forma mais complexa do que a simples utilização de equações. Em conjunto com o estudo do episódio histórico, deve haver uma preparação para que se possa apresentar este material de forma a garantir que as habilidades e competências necessárias aos alunos. Segundo os Parâmetros Curriculares Nacionais, uma formação
autêntica precisa considerar a noção de competências sob dois enfoques: i. como referência dos saberes escolares; e ii. como relação didática. Os saberes ensinados são simplificados para possibilitar seu ensino. Ao que parece, a transposição direta não seria suficiente. Devem-se assumir também as práticas como referências e formas de articular teoria e prática, pois, além das pesquisas científicas, fundamentais ou aplicadas, também as práticas domésticas, industriais, ideológicas, políticas e tecnológicas, bem como suas funções sociais, devem servir às escolhas didáticas. Busca-se proporcionar aos alunos a aquisição de elementos de compreensão e/ou manuseio de aparatos tecnológicos, de máquinas e dos processos de produção industrial e outras atividades profissionais. Deve-se tratar a tecnologia como atividade humana em seus aspectos prático e social, com vistas à solução de problemas concretos. Mas isso não significa desconsiderar a base científica envolvida no processo de compreensão e construção dos produtos tecnológicos (Ciências da natureza, matemática e suas tecnologias, 2006). A formação por competências deve ter por objetivo possibilitar ao sujeito opinar na sociedade em que vive. A concepção da noção de competências como problema de referência dos saberes escolares dá sentido aos conteúdos escolares e vai além. A noção de competências deve ser entendida como uma possibilidade de colocar a relação didática em perspectiva. Devem-se evitar oferecer aos alunos conteúdos específicos fragmentados ou, em muitos casos, técnicas de resolução de exercícios, já que o retorno será isso mesmo: conteúdos reprodutivos, na melhor das hipóteses, de pouca utilidade fora dos bancos escolares. Esse estudo deve levar em consideração aspectos da transposição didática, de forma a não distorcer o episódio histórico e ainda levar em consideração as concepções prévias dos alunos (BATISTA, 2007). Uma distorção do episódio histórico pode caracterizar uma pseudo-história e levar o aluno a uma ideia errada sobre o fazer científico e o papel da ciência na sociedade (ALCCHIN, 2006). Enquanto que a não consideração das concepções prévias dos alunos pode levar a uma aprendizagem mecânica em que o aluno acaba não compreendendo a evolução de conceitos e teorias. Atentando-se para esses problemas, a associação entre História e Filosofia da Ciência e a compreensão da natureza da ciência podem contribuir para a formação cidadã de professores e alunos. É imprescindível que haja uma pesquisa aprofundada que possibilite uma análise da contribuição de episódios históricos para o ensino, bem como uma produção de material em História e Filosofia da Ciência (no caso, um estudo contextualizado do episódio histórico) que
Muitos foram os estudiosos que buscaram entender a natureza e as propriedades do Calor. As ideias que se tinha variavam muito, alterando-se e diferenciando-se ao longo do tempo. Galileu, por exemplo, estudou os fenômenos térmicos e inventou o termômetro a gás. Durante os séculos XVII e XVIII, pesquisadores como Fahrenheit, Reaumur e Celsius desenvolveram vários tipos de termômetros de líquido. Na metade do século XVIII, Black esclareceu a diferença entre temperatura e quantidade de calor, introduziu a calorimetria e foi levado à ideia do calor específico e calor latente. Para Newton e Boyle, o calor estava relacionado aos movimentos de partículas dos corpos. Em grande parte destes estudos, o calor ainda era considerado um fluido imponderável, o calórico, um suposto fluxo que agia dos corpos mais quentes para os mais frios. Essa teoria não explicava como o calor poderia ser produzido através de trabalho mecânico, notado por Rumford. Em 1789, Rumford se encontrava em Monique, trabalhando com perfurações de canhões em oficinas militares e observou que na usinagem de um cano de canhão, este se aquecia a um ponto, que a água podia chegar a um estado de ebulição mesmo sem a presença de fogo, o que despertava o seu interesse para tentar entender o efeito observado. Rumford passou a realizar sucessivos experimentos que em sua maioria foram desconsiderados pelos defensores do calórico (SHAMOS, 1987). No curso do desenvolvimento das teorias de calor (1780 - 1840), Kelvin declarou, “Eu a princípio pensei que (o trabalho de Joule de 1847), não tinha validade, porque era diferente da teoria de Carnot”. Para Lavoisier, o calórico era uma substância simples pertencente a todos os reinos da natureza, que podem ser considerados como os elementos dos corpos. Humphry Davy observou experimentos ligados à fricção, obtendo resultados que confirmavam a teoria de Rumford, gerando discussões a respeito da causa dos fenômenos de calor. Estes experimentos enfraqueceram a teoria calórica. O ponto mais importante no desenvolvimento da teoria do calor é a ideia de conservação, que foi criada no decorrer de 1800 (HEERING,1992). Somente em meados do século XIX, houve a aceitação da teoria mecânica do calor, devido a novas experiências. Uma delas foi à de Julius Robert Mayer, que considerou calor e trabalho equivalentes e que poderiam ser convertidos um no outro. Rejeitando a teoria do calórico, para ele, o calor consistia em algo gerado a partir de alguma coisa. Dessa maneira o
calor produzido mecanicamente é proporcional ao trabalho empregado em qualquer tipo de processo na natureza. Mayer fundamentou suas ideias para publicação em um artigo, que a primeira instância não foi aceito por ser considerado vago e conter muitos erros sobre conceitos básicos: queda livre, adição vetorial de forças, etc. Não desistindo, refaz o artigo, aprimorando seus conhecimentos, e desta vez, foi aceito em 1842 pela revista Annalen der Chemie und Pharmacie. Nele propõe um novo conceito de ‘‘força’’ e como poderia se aplicar a física, que representa hoje, energia de uma forma geral, admitindo o princípio de causas e efeitos. Mayer não tenta explicar o calor como uma forma de movimento, mas adota uma concepção muito mais geral: ele admite que o calor, o movimento (energia cinética) e a força de queda (energia potencial) são diferentes formas de uma mesma coisa, mas que essa coisa – a ‘‘força’’, em abstrato – não é propriamente nenhuma dessas três coisas. Esta é uma concepção muito semelhante ao nosso conceito moderno de energia (MARTINS, 1984, p.67). Mayer publicou um dos primeiros trabalhos que levou a formulação da conservação da energia. Nesse período os trabalhos de James Prescott Joule (1818-1889) já haviam sido publicados (1843), e tratavam o calor a partir de fenômenos eletromagnéticos. Passados dois anos, Joule publicou um artigo que tratava das variações de temperatura produzidas na compressão e dilatação dos gases, e no mesmo ano, publicou sua primeira descrição da experiência de agitação de água através de pás, obtendo êxito somente em 1847, publicando um novo artigo. Um ano depois, Mayer publicou uma carta de indignação por não ter conseguido publicar seus artigos e requer o direito de pioneiro nas descobertas das transformações mútuas de poder mecânico em calor e por ter calculado o equivalente mecânico do calor. Por desconhecer os trabalhos de Joule, enfatizou que em seus trabalhos havia estudos a respeito dos poderes magnéticos, elétricos, químicos, etc. A controvérsia entre Joule e Mayer pelo direito de ser considerado o primeiro a obter o equivalente mecânico do calor, resulta na internação de Mayer num asilo para alienados mentais e em sua morte em 1878. No entanto foram os trabalhos de Joule, com suas experiências térmicas, que contribuíram para esses estudos, cuja formulação e determinação do equivalente mecânico do calor tiveram mais influência sobre o desenvolvimento e especialmente a aceitação do princípio da conservação da energia (MARTINS, 1984). Joule estava familiarizado com as formas de “forças naturais” que hoje chamamos de energia, a conversibilidade de diferentes formas de energia e com técnicas de determinar a potência de um motor. Ele foi capaz de apresentar diversos trabalhos em que descreveu várias
relação equivalente entre força e calor, através da agitação da água. Em busca de precisão refaz a experiência no presente artigo de 1850. 2.2.1 Descrição do aparato de Joule
Os termômetros utilizados tiveram seus tubos calibrados e graduados, dois deles foram feitos em Manchester e o terceiro em Paris, e estes quando comparados apresentavam um alto grau de precisão. Basicamente seu aparato consiste em uma roda de pás de bronze com oito braços rotativos trabalhando entre quatro palhetas fixas, dispostos de modo a impedir a condução de calor. Contém um vaso de cobre em que o aparelho gira firmemente, com dois orifícios na tampa, que são estaladas as palhetas, um para a inserção do eixo e o outro para inserção do termômetro, de modo que eles não se chocassem, os pesos de chumbo pesavam 29 libras (29 x 0,453 = 13,14 kg) em alguns casos e em outros 10 libras (10 x 0,453 = 4, kg), que eram suspensos por cordas ligadas a um fio que se encontra em uma alavanca de madeira anexada à barra de ferro perpendicular. Através de duas polias, conectando-os ao cilindro central, ainda continha um suporte de madeira, no qual era posto o aparato, evitando possíveis efeitos do calor. A seguir temos a Figura 1 que ilustra a perspectiva do aparato que Joule teria confeccionado para realização de seus experimentos (HEERING,1992):
Figura 1 – (a) Perspectiva do aparato de Joule, (b) eixo do aparelho de atrito na vertical, (c) eixo do aparelho de atrito na horizontal, (d) vaso de cobre.
Figura 1 (b) (c) (d)
Figura 1 – (a)
O método de experimentação consistia em medir inicialmente a temperatura, depois soltava-se o rolo permitindo que o fio desenrolasse até que os pesos atingissem o chão, era uma queda de 63 centímetros e se repetia o processo 20 vezes, em seguida verificava-se a temperatura, sempre no inicio, no meio e no final de cada seção. Levava-se em consideração a posição do aparelho, a quantidade da água contida no recipiente, o tempo gasto, o método da observação do termômetro, a posição do experimentador (JOULE, 1843; 1850).
2.2.2 Determinando o Equivalente Mecânico do Calor
No experimento de Joule, ele fez com que a Energia gravitacional^1 da queda de pesos se transformassem em calor que aumentava a temperatura de uma certa quantidade de água. Então descobriu que
O que em sua época a unidade de energia era o que depois foi denominado. Podemos dizer ainda que
Ou seja, 1 grama de água com um termômetro conectado, ao adicionar a energia correspondente a 1 caloria, a temperatura da água subirá 1°C. Analisando seu experimento o calor é produzido a partir do movimento das pás, com a fricção das moléculas de água, que acrescenta a essas moléculas energia cinética. Este atrito das moléculas de água é medido indiretamente através da temperatura da água. Então, na medida em que os pesos, de massas totais , caiam a uma altura o eixo de atrito era acionado resultando no aquecimento da água, de massa. Joule realizou cerca de 20 repetições, e buscou entender o efeito da radiação e da condução do calor, na perda ou elevação da temperatura do aparelho de atrito. Todos os seus resultados foram apresentados em forma de tabelas. Se analisarmos cuidadosamente a tabela 1 do artigo (Joule, 1843). Percebemos que consta os dados da elevação da temperatura, assim como da fricção:
(^1) É importante lembrar que o termo “energia gravitacional” só foi utilizado muito posteriormente. Joule ainda considerava diferentes tipos de “forças” ou “trabalhos”.
