Termodinâmica : Plano de Aula - Ser Humano como Máquina Térmica

Plano de aula: Ser humano como máquina térmica

Introdução:

Esse plano de aula tem como objetivo colocar o aluno na posição de pesquisador. A intensão é que o aluno crie e a organize seu próprio material de estudo a partir de pesquisas feitas por eles mesmos.

O tema tratado nessas aulas será o ser humano como máquina térmica. Num primeiro momento (primeira aula) será necessário fazer uma sondagem inicial do conhecimento prévio dos alunos. Questões serão dadas aos alunos e em torno delas será iniciada uma discussão sobre máquinas térmicas (definição e conceitos).

Na segunda a ideia é que os alunos tenham uma pesquisa em mãos sobre fluxos de energia. O professor deverá fazer a ligação entre essa pesquisa e o fluxo de energia no ser humano.

Na terceira aula será feita uma discussão sobre o ser humano como máquina térmica. Para avaliar os alunos, eles irão produzir um texto no qual deverão estar presentes os conceitos tratados.

Aula 1

Na aula 1, será feita uma sondagem do conhecimento dos alunos sobre o tema fluxo de energia e máquinas térmicas. Os alunos serão divididos em grupos de três ou quatro. Cada grupo discutirá as seguintes perguntas:

1) Na sua casa o que faz os aparelhos elétricos funcionarem? E um carro? Existe algo em comum no funcionamento deles?

2) Da onde vem a energia para os seres humanos fazerem as tarefas básicas? E para onde essa energia vai?

3) O que é uma máquina térmica? Ela está relacionada com o conceito de energia?

4) Numa máquina térmica de onde vem a energia para mantê-la em funcionamento? E para onde ela vai?

Cada grupo irá responder as questões e o professor orientará os alunos para as respostas mais coerentes para as questões.

Na questão 1 uma possível resposta dos alunos seria que é a energia elétrica que faz os aparelhos funcionarem; no carro seria o combustível. O professor conduziria os alunos a pensarem nas transformações de energia.

Na questão 2 o objetivo do professor será relacionar que o corpo humano funciona também a base de energia alguma energia, seguindo um raciocínio semelhante aos aparelhos elétricos e o carro.

Na 3ª e 4ª questões, os alunos vão pensar no conceito e no funcionamento de máquinas térmicas e o professor vai direcionar essa discussão para que se tenha a ideia de que máquina térmica transforma energia térmica proveniente do calor em energia mecânica (trabalho) num ciclo.

Ainda na terceira questão o professor vai discutir os conceitos de máquina térmica e vai usar o motor de um carro para exemplificar.

Todas as máquinas térmicas têm como principio receber calor de uma fonte quente e transformar esse calor em trabalho e uma parte do calor é dissipado para uma fonte fria. E todo esse processo ocorre em um ciclo que se repete. Como os estados inicial e final de um ciclo são os mesmos, a energia interna nesse sistema é igual, e assim, a variação de energia interna ao fim de um ciclo é nula.

A segunda lei da termodinâmica em máquinas térmicas mostra que é impossível que em processos cíclicos todo o calor fornecido se transforme em trabalho, isso é comprovado com o rendimento das máquinas térmicas que é o trabalho divido pela quantidade de calor da fonte quente.

Usando como exemplo um motor de carro onde a energia obtida sob a forma de calor na câmara de combustão devido à explosão da mistura de ar e gasolina, causa a expansão dessa mistura gasosa. Esta expansão empurra um pistão ou êmbolo, realizando trabalho sobre o exterior em seguida os gases resultantes da combustão são expelidos para o exterior, entrando novamente para a câmara uma mistura de ar e gasolina, e todo o processo volta a repetir-se, ou seja, é um processo cíclico. No motor do carro a fonte quente é representada pelos gases da explosão e a fonte fria é o próprio meio ambiente para onde os gases resultantes são expelidos, o trabalho realizado é a movimentação do pistão. E esse processo se repete em ciclos tudo isso caracteriza o motor de combustão interna como uma máquina térmica.

Na questão quatro o professor relaciona a máquina térmica com o ser humano na questão da utilização da energia que entra e pra onde ela vai.

Será pedido uma pesquisa sobre fluxo de energia para a próxima aula.

Aula 2

Com as pesquisas em mãos, inicia-se a aula perguntando aos alunos o que eles entendem por fluxo de energia. Cada aluno, ou cada grupo, vai dizer o que achou em sua pesquisa e o professor anotará as ideias principais na lousa.

A partir disso, o professor guiará a discussão para o fluxo de energia no ser humano (a energia que entra e sai do sistema e suas transformações).

Essa discussão será baseada nos seguintes conceitos:

A energia entra no sistema ser humano, através dos alimentos. Eles são “queimados” ou oxidados dentro do corpo de maneira semelhante aos combustíveis fósseis que quando queimados produzem calor e a luz das chamas. Já no corpo humano, o oxigênio do ar combina-se com as substâncias que estão sendo consumidas e liberam energia química. Diferentes tipos de alimento armazenam e liberam diferentes tipos de energia.A energia química, produzida pelo organismo é transformada em energia térmica que é usada para manter o ser humano aquecido, e se transforma em energia mecânica, para a execução de atividades diárias.

Será proposta uma forma para quantificar a energia utilizada pelo ser humano, para isso será utilizada a hipótese de que toda a energia consumida através dos alimentos se transforma em calor para manter o corpo aquecido e em trabalho, será feita uma estimativa de quantas calorias são ingeridas num dia. E com essa hipótese verificar a quantidade de energia é usada para a manutenção do ser humano nas suas atividades.

Aula 3

Nessa aula, será retomada a comparação do ser humano como uma máquina térmica.

Para isso, um texto auxiliar para o professor na comparação do ser humano como máquina térmica.

Esse trecho do texto serviria para ajudar na comparação do ser humano como a máquina térmica dizendo que no ser humano a fonte quente seria a energia química recebida do consumo dos alimentos e a fonte fria seria as reações fisiologias para a manutenção da sua temperatura. E que o ser humano é uma máquina térmica complexa porque a fonte fria é todo o aparelho termo regulador. Além disso, o texto serve como uma complementação do assunto.

Bibliografia

Energia

Autor: Jack Challoner

Editora: Globo

Faces da Energia

Autores: Aníbal Figueiredo e Maurício Pietrocola

Editora: FTD

Fundamentos da Física – Vol. 2

Autores: Halliday , Renisck

Editora:

Sites:

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/2leidatermodinamica.php