Módulo de Ensino Inovador Termodinâmica

1. Módulo de Ensino InovadorTermodinâmica Fabio Stucchi Vannucchi Karina Aguiar Leonardo Crochik

2. Apresentação Este trabalho visa oferecer uma proposta de discussão e formulação das 2 (primeiras) leis da termodinâmica, buscando trabalhar, através da história da ciência, os diversos obstáculos epistemológicos envolvidos na compreensão desses conceitos, bem como, ao estender a abordagem a uma introdução aos fenômenos fora do equilíbrio, articular os conceitos envolvidos com outras áreas do conhecimento, em particular, a biologia.

3. Introdução (1) A escolha da termodinâmica como tema deste módulo de ensino se deve tanto ao desinteresse com que é tratada no ensino médio, à limitação com que seus subtemas são tratados (quando são) e à atualidade das questões envolvidas, sendo até hoje uma área de pesquisa bastante ativa.

4. Introdução (2) Este módulo de ensino visa discutir com os estudantes as 2 leis da termodinâmica assim como conceitos conjugados: calor, trabalho, energia, (ir)reversibilidade e equilíbrio. Trata-se de conceitos que, além de serem essenciais para todas as áreas da física, estão presentes no arcabouço cultural de nossa sociedade (basta ver os múltiplos usos do termo energia e do crescente interesse pelo tema da auto-organização por parte de não-cientistas) e são extremamente relevantes em diversos âmbitos da vida cotidiana: política energética, funcionamento de aparelhos domésticos, dietas alimentares, etc.

5. Introdução (3) O amplo uso da história da ciência neste módulo tem os seguintes objetivos: (a) fornecer uma visão de ciência dinâmica que, longe de corresponder à Verdade, é uma atividade de criação humana, não desvinculada da dinâmica mais geral da sociedade, possuindo relações com a sua estrutura político-econômica e com a evolução geral das idéias filosóficas, artísticas e teológicas; (b) ao mostrar as polêmicas que deram origem às teorias científicas, contribuir para explicitar os obstáculos epistemológicos e concepções alternativas presentes na visão de mundo dos estudantes. Além disso, como conseqüência da proposta de utilizar a história da ciência, alguns outros aspectos inesperados se fazem sentir: (a) ao trabalhar com a leitura de textos originais científicos, este módulo contribuirá para o desenvolvimento dessa habilidade de leitura, que não costuma ser desenvolvida nem nas aulas de português (porque lá, em geral, os textos não são científicos) nem nas disciplinas científicas (porque nessas se lê muito pouco); (b) a abordagem histórica é necessariamente integrada, ou seja, diversos temas aparentemente desvinculados das duas leis da termodinâmica acabam sendo abordados pelos próprios textos científicos, evitando assim a construção de um conhecimento demasiadamente fragmentado e morto (construído artificialmente para fins didáticos).

6. Introdução (4) Como exemplo da pertinência da abordagem histórica, podemos citar a sua utilidade para esclarecer uma concepção alternativa que opõe a conservação da energia à sua dissipação e à irreversibilidade das transformações. Essa concepção alternativa está presente historicamente e é possível compreendê-la através de uma abordagem dialética: do conflito entre tese (conservação da energia) e antítese (dissipação, irreversibilidade) é construída a síntese (as leis da termodinâmica). Revivendo este processo histórico, o estudante tem espaço para rever suas concepções e transformá-las.

7. Introdução (5) A inclusão de uma introdução aos sistemas (que permanecem) fora do equilíbrio - raramente tratado até mesmo em nossos cursos de graduação - visa oferecer aos estudantes um panorama de questões discutidas atualmente, fornecendo insights que permitam conexões entre os conhecimentos aqui abordados e outras áreas do conhecimento, científicas ou não. Utilizando a distinção de Bachelard entre o pensador noturno e diurno, esta última etapa do módulo estaria mais próxima do entardecer.

8. Informações úteis • Público alvo: alunos de terceiro colegial (17 anos); • Conhecimentos prévios esperados: conhecimento das leis de Newton, alguma noção relacionada à conservação da energia; • Número de aulas: oito aulas de uma hora de duração; • Conteúdo Físico: Primeira e segunda leis da termodinâmica;

9. Bloco 1: Problematização: conservação da energia X dissipação.

10. Aula 1: Aspectos filosóficos da conservação da energia. Tema da aula: problematização da conservação da energia através da polêmica Clarke - Leibniz a respeito da posição Newtoniana de que Deus precisa reformar o mundo de tempos em tempos para evitar que ele colapse. Objetivos: (1) desconstruir, mostrando um lado menos conhecido da contribuição científica de Newton, a figura do cientista como pessoa totalmente objetiva, avessa a debates filosóficos ou teológicos, trabalhando única e exclusivamente a partir "dos fatos"; (2) mostrar o debate científico / filosófico por trás de uma questão aparentemente teológica; (3) mostrar as relações entre ciência e poder, explícitas em comparações entre Deus e "um Rei"; Motivação: a física é vista freqüentemente como não tendo nenhuma conexão com as demais áreas do conhecimento e a existência humana. Essa aula visa modificar essa visão da ciência. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. Recursos: Saliva, giz, lousa. Material didático: textos de Clarke e Leibniz. momentos da aula: (1) discussão com a sala pedindo que eles respondam à seguinte pergunta: "Se a energia se conserva, por que é que precisamos economizar energia? (10 min) (2) divisão da sala em grupos para que cada grupo leia e discuta o texto abaixo reproduzido, tentando responder a algumas questões; (30 min) (3) discussão com a sala a respeito das respostas que os grupos formularam (20 min).

11. Aula 2: contestações à conservação da energia Tema da aula: argumentos que, pensando a natureza como composta de partículas, podem ser utilizados contra a conservação da energia e em defesa da irreversibilidade (dissipação da energia). Objetivos: (1) Dar elementos que façam com que, por um lado, para convencer-se da conservação da energia, os estudantes tenham que modificar sua visão sobre como se dá a interação e os choques (interação elástica à distância) e, por outro, ao se convencerem da conservação da energia, percebam que argumentos anteriormente utilizados contra esse princípio podem ser úteis na compreensão da segunda lei da termodinâmica (relativos à dissipação da energia sobre os diversos graus de liberdade existentes); (2) discutir a questão da criação e (necessidade ou não de) manutenção do mundo, que aparecem historicamente ligadas à questão da conservação da energia e introduzem o debate sobre transformações irreversíveis, pensadas nesse momento como opostas à conservação da energia; Motivação: a conservação da energia entra em aparente contradição com a maioria das experiências do cotidiano. A conseqüência é uma separação, na cabeça do estudante, entre o universo da sala de aula, no qual vale a conservação da energia, e o mundo real, onde ela não vale. Essa aula visa debater essas questões, tentando unificar esses dois mundos. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. (pré-requisito: leis de Newton) Recursos: Saliva, giz, lousa. Material didático: textos de Newton. Momentos da aula: (1) Divisão da sala em grupos para ler o texto abaixo reproduzido e resumí-lo (30 min); (2) Discussão do texto (30 min)

12. Aula 3: Esfriamento da Terra - âmbito termodinâmico Tema da aula: discussão de transformações irreversíveis de sistemas termodinâmicos, não mais supondo que o mundo é composto de "partículas simples". Objetivos: remeter a experiências cotidianas (buscando generalizá-las) que ilustrem a irreversibilidade das transformações e, aparentemente, questionem a conservação da energia. Em especial, discutir, utilizando argumentos historicamente levantados, a questão do resfriamento da Terra. Motivação: as aulas anteriores trataram do universo pensado através do conceito de partículas; esta pensará o universo termodinâmico, em que não se entra no mérito da composição última da matéria. Essa abordagem é seguramente menos abstrata que a anterior e permite problematizar outras experiências do cotidiano, que não seriam discutidas dentro da concepção mecanicista de mundo. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. Recursos: Saliva, giz, lousa. Momentos da aula: aula expositiva e debate com os estudantes (60 min).

13. Bloco 2: Formalização das 2 leis da termodinâmica.

14. Aula 4: Conversão da Energia tema da aula: experiências de conversibilidade entre formas de energia. objetivos: Mostrar e discutir exemplos de conversão de energia através de experimentos didáticos. motivação: a idéia de conservação da energia é um dos pilares da física (seja clássica ou moderna) e a conversão entre as diversas formas de energia é, além de importante para auxiliar a compreensão da primeira lei da termodinâmica, fundamental para o entendimento de questões cotidianas, desde política energética até o funcionamento de eletrodomésticos. conteúdo físico: Primeira lei da termodinâmica. recursos: Saliva, giz, lousa. material didático: experimentos do site do prof. Luiz Ferraz Netto momentos da aula: (1) divisão da sala em grupos para realização das experiências (20 min); (2) cada grupo demonstra a experiência aos demais e procura explicá-la (40 min).

15. Aula 5 e 6: Formalização da primeira e da segunda lei Tema das aulas: formalização da primeira e da segunda lei da termodinâmica. Objetivos das aulas 5 e 6: mostrar como é possível resolver os aparentes conflitos entre conservação e dissipação da energia, dando respostas aos problemas colocados desde a primeira aula e chegando à expressão formal das 2 leis da termodinâmica. Motivação das aulas 5 e 6: essas aulas são a conclusão do projeto exposto no início desse trabalho: solucionar os aparentes conflitos entre conservação e dissipação da energia contribui para a diminuição da distância entre o mundo da sala de aula (onde vale a conservação da energia) e o mundo real (onde ela não vale). Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. Recursos: Saliva, giz, lousa. Material didático: textos de Carnot,Clausius e Kelvin. Momentos da aula 5: (1) Discussão da questão, levantada na aula anterior: todo calor que sai da fonte quente chega à fonte fria? (15 min) (2) leitura de textos de Carnot e Kelvin que problematizam a questão (20 min); (3) discussão da experiência de Joule e formulação da primeira lei da termodinâmica (25 min). Momentos da aula 6: (1) Discussão da questão, levantada nas 2 aulas anteriores: é imprescindível que haja duas fontes de calor para que se possa transformar calor em trabalho? (25 min) (2) leitura de textos que expressam a segunda lei da termodinâmica (10 min) (3) discussão dos textos e da equivalência entre as proposições (25 min).

16. Bloco 3: Sistemas que permanecem fora do equilíbrio

17. Aula 7: Equilíbrio Tema da aula: aprofundamento da idéia de equilíbrio e os limites implícitos da segunda segunda lei Objetivos: precisar a idéia de equilíbrio macroscópico, introduzindo o conceito de equilíbrio dinâmico. Analisar o equilíbrio de concentrações químicas em uma célula biológica para explicitar a validade da segunda lei apenas para sistemas isolados Motivação: a noção de equilíbrio e de que a termodinâmica (de equilíbrio) tem validade apenas em situações específicas ilustra que as teorias físicas têm limitações e prepara os estudantes para a compreensão (por um viés físico) de problemas relativos a fenômenos fora do equilíbrio como problemas tipicamente interpretados como pertencentes à biologia. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. Recursos: Saliva, giz, losa e "aquário de difusão". Material didático: Texto sobre canais iônicos e concetrações químicas em uma célula animal. Momentos da aula: (1) "Aquário de difusão" (em um aquário cheio de água derramar uma colher de algum corante, p.e. anilina) e posterior discussão sobre quando que o sistema água-corante está em equilíbrio (15 min); (2) Divisão da sala em grupos para leitura de texto (reproduzido abaixo) e resposta de perguntas (15 min); (3) Discussão das respostas e exposição em lousa da bomba de Na-K e seu papel (10 min); (4) Discussão sobre o isolamento ou não do sistema em questão (20 min).

18. Aula 8: Auto-organização Tema da aula: panorama da física dos fenômenos fora do equilíbrio Objetivos: discutir os conceitos de fluxo e sistemas abertos apartir da análise do fenômeno da vida, dando ênfase no fato de a vida ser um fenômeno fora do equilíbrio. Relatar experiências físico-químicas em que ocorre o surgimento de estruturas organizadas. Fazer uma breve apresentação do conceito de auto-organização e de teorias para trabalhar com eles. Motivação: a relevância dos temas sugeridos diz respeito à apresentação de conceitos ainda em formação em físca e extremamente férteis para analogias em outras áreas do conhecimento. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. Auto-organização. Recursos: Saliva, giz, losa e experiência de cultivo de um feijão. Material didático: Texto de Henri Atlan. Momentos da aula: (1) Análise da experiência de plantação do feijão* (*com algumas semanas de antescedência o professor deverá em sala de aula plantar dois grãos de feijão e um será privado de água e luz enquanto o outro não) com discussão sobre o porquê do desenvolvimento de uma das sementes, se elas estão em equilíbrio e se os sitemas estão isolados (10 min); (2) Leitura individual do texto e disussão acerca da questão do pé de feijão e do ser humano serem estruturas organizadas ou não (30 min); (3) Exposição sobre o conceito (ainda cientificamente aberto) de auto-organização e seus componentes (20 min).

19. Referências [1] KOYRÉ, Alexandre. Do mundo Fechado ao Universo Infinito.Forense Universitária, 2001. [2] BRUSH, Stephen G. The kind of motion we call heat, v. 2. Elsevier Science Publishers, 1992. [3] BRECHT, Bertold. A vida de Galileu. [4] ATLAN, Henri. Entre o Cristal e a Fumaça: Ensaio sobre a organização do ser vivo. Jorge Kahar Ed., 1992. [5] NUSSENZVEIG, Moysés H. Curso de Física Básica, v. 2. Edgard Blücher, 1981. [6] SALINAS, Sílvio R. A. Introdução à Física Estatística. Edusp, 1999. [7] KANDEL, Eric R., SCHWARTZ, James H., JESSEL, Thomas M. Fundamentos da Neurociência e do Comportamento. Guanabara Koogan, 1997. [8] BERNARDES, Newton. Ordem e desordem: uma avaliação crítica da situação. Ci e Cult., 40 (5): 473-477, 1988 [9] DEBRUN, Michel. Por que, quando e como é possível falar em auto-organização?In.:DEBRUN, Michel., GONZALES, M. E. Q., PESSOA Jr., O. (org.) Auto-organização. Coleção CLE, 18: xxxiii-xliii, 1996.