Celsius - Introdução à termometria

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CELSIUS

Introdução à Termometria

Livro do professor

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CELSIUS

Introdução à termometria LIVRO DO PROFESSOR

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Presidente Ricardo Uzal Garcia

Projeto Gráfico e Diagramação William Haruo, Aline Aliste, Luis Kinoshita

Diretor de Operações William Garcia

Engenharia de Produtos Didáticos Cláudio Azanha Jr.

Equipe Pedagógica Mário Donizeti Domingos, Cristian Annunciato, Luisiana Andresa Carneiro, Marcio Cotomacci

Créditos Fotográficos Livro do aluno: P. 6: Gaspero Martellini/Wikimedia – p. 12: Dlee/Freeimages – p. 18: Sue Byford/Freeimages.

Edição Maíra Corrêa Machado

Fotos dos procedimentos: Mário Donizeti Domingos

Revisão Beatriz Rezende

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (eDOC BRASIL, Belo Horizonte/MG) C397c

Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Experimenta.

Celsius: introdução à termometria: livro do professor / [Centro de Pesquisa da Experimenta – Educação em Ciências]. – Valinhos (SP): Experimenta, 2016 – (Oficinas Descobrindo a Ciência).

24 p. : il. ; 20 x 26,5 cm

ISBN 978-85-93201-52-3

1. Ciências (Ensino fundamental). 2. Física. 3. Termometria. I.Título. II. Série.

CDD-536.5

Experimenta – Educação em Ciências Rua Luiz Lazaretti, 99 Vale Verde - Valinhos, SP - Brasil CEP 13279-010 Tel.: 55 19 3514-6900 www.experimentaciencias.com.br Impresso no Brasil 1ª edição / copyright © 2014 Experimenta – Educação em Ciências Ltda.

Reprodução proibida. Art. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998.

Impressão e acabamento Nome da gráfica, mês/ano Aplicação FSC

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Introdução à termometria LIVRO DO PROFESSOR

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Introdução a termometria

Sumário Atividade 1

Como construir um termoscópio?

Página 6

Atividade 2

Crie sua escala termométrica

Página 12

Atividade 3

Como relacionar as temperaturas em escalas diferentes?

Página 18

Faça em casa

Acompanhe a variação de temperatura na sua casa Página 24

Bibliografia

Sites consultados

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física básica – vol. 2. 4ª edição.

São Paulo: Editora Edgard Blucher, 2002.

Do termoscópio ao termômetro digital: quatro séculos de termometria. Disponível em: http://www.scielo.br/scielo.php?pid =S0100-40422006000600041&script=sci_arttext. Acesso em: out. 2014.

HEWITT, P. G. Física conceitual. Tradução de Trieste Freire Ricci e Maria Helena Gravina. 9ª edição. Porto Alegre: Editora Bookman, 2002.

The thermometer. Disponível em: http://galileo.rice.edu/sci/ instruments/thermometer.html. Acesso em: out. 2014.

Build your own thermometer. Disponível em https://ec. gc.ca/meteoaloeil-skywatchers/default.asp?lang=En&n= 222D8F26-1. Acesso em: out. 2014.

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Apresentação Este material faz parte da coleção de oficinas “Descobrindo a Ciência”, desenvolvida pela Experimenta – Educação em Ciências. Esta coleção é composta por módulos que abordam diversos conteúdos da área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias, de maneira prática, dinâmica e lúdica.

A evolução dos instrumentos de medida de temperatura proporcionou avanços importantes para a humanidade. Um exemplo é o seu uso na metalurgia, na qual o controle da temperatura permitiu a obtenção de ligas metálicas de melhor qualidade, mais resistentes e uniformes.

A maioria dos instrumentos de medida de temperatura faz uso de comparações entre a variação de algumas propriedades, como o volume, a pressão, a resistência elétrica, a cor, entre outras. Mas como proceder para fazer essa medição?

Nesta oficina, os alunos conhecerão diferentes instrumentos e procedimentos. Como construir um termoscópio, um dos primeiros instrumentos utilizados no estudo da temperatura? Como criar uma escala termométrica a partir de duas temperaturas de referência?

Como utilizar um termômetro para medir a temperatura? Como é possível realizar a conversão entre temperaturas em diferentes escalas termométricas e como construir e calibrar um termômetro na escala Celsius? Nestas atividades, espera-se que os alunos aprendam um pouco mais sobre o desenvolvimento de instrumentos de medida e como os termômetros evoluíram ao longo do tempo.

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Atividade 1

C u

Atividade 1 Como construir um termoscópio?

O

O que será feito?

Aind algu ção am com para trum inst não com

N

esta atividade, os alunos construirão um equipamento simples, capaz de indicar diferenças de temperatura entre dois objetos: um termoscópio. Eles deverão observar seu funcionamento e buscar explicar como esse aparelho permite identificar diferenças de temperatura corporal entre pessoas que estão ou não com febre.

Os termômetros utilizados hoje em dia são baseados no termoscópio inventado por Galileu Galilei.

6

Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Aprendam como construir um dos primeiros equipamentos utilizados no estudo da temperatura: o termoscópio; • Percebam como esse equipamento pode ser utilizado para identificar variações de temperatura.

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Como construir um termoscópio?

Materiais utilizados nesta atividade • Potes de 1 L

O que você vai fazer?

Ainda na Antiguidade, os médicos perceberam que algumas doenças estavam associadas a uma elevação de temperatura corporal, chamada febre. Qual a melhor forma de identificar se alguém está ou não com febre? Qual é o instrumento mais adequado para medir a temperatura do corpo? Como esse instrumento funciona? Como você pode construir um instrumento capaz de identificar se alguém está ou não com febre? Nesta atividade, você aprenderá como construir e utilizar um termoscópio.

• Tubo de ensaio pequeno Material para a classe

1 1

• Rolha de EVA pequena com furo

Pote de 1 L com água e gelo picado Pote de 1 L com água quente

• Copos plásticos transparentes pequenos

Material por equipe

1

Frasco conta-gotas com solução alcoólica com corante de 10 mL

2 1

• Tubo plástico de 28 cm

Copos plásticos transparentes pequenos

Fita adesiva

• Suporte para montagem de termoscópio/termômetro de 20 x 10 cm

Material por aluno

1 1 1 1

Tubo de ensaio pequeno Rolha de EVA pequena com furo

• Etiqueta adesiva branca

Tubo plástico de 28 cm

Suporte para montagem de termoscópio/ termômetro de 20 x 10 cm

2

• Frasco conta-gotas com solução alcoólica com corante de 10 mL

Etiquetas adesivas brancas

7

• Fita adesiva • Termômetro

Material adicional Preparação Coloque a água gelada em um dos potes de 1 L. No outro, coloque água à temperatura ambiente até a metade do pote. Meça a temperatura com o termômetro e acrescente água bem quente aos poucos, mexendo e acompanhando a subida da temperatura, até atingir um valor próximo de 45 °C. Não utilize água com temperatura acima desse valor para não danificar o termômetro.

• Água quente • Água com gelo picado

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Atividade 1

Como construir um termoscópio?

Pratique!

1

O equipamento utilizado antigamente para verificar se alguém estava ou não com febre era o termoscópio. Nesta atividade, você construirá um e investigará como esse equipamento funciona.

Pratique!

Procedimento 1

1

Montagem de um termoscópio

Como introdução a essa atividade, você pode desafiar os alunos a apresentar formas de identificar se alguém está ou não com febre. Algum aluno pode citar o tato, usado quando as pessoas levam a mão à testa para verificar se alguém está febril. É esperado também que eles indiquem que basta medir a temperatura com um termômetro e verificar se o valor medido está acima da temperatura corporal normal de um ser humano. Como curiosidade, você pode informar aos alunos que o próprio Galileu Galilei utilizava um equipamento semelhante ao que eles construirão nesta atividade.

I) PASSE A PONTA do tubo plástico pelo

furo da rolha de EVA até que fique um pedaço com aproximadamente 2 cm para fora da rolha.

II) NO TUBO DE ENSAIO, coloque 20 gotas da solução alcoólica com corante.

III) COLOQUE UM POUCO de água gelada

no copo de 100 mL e o tubo com corante dentro do copo.

8

Procedimento 1

Montagem de um termoscópio I) Oriente os alunos a retirarem qualquer pedaço de EVA que esteja obstruindo o furo no centro da rolha antes de inserirem o tubo plástico.

II e III) Os alunos deverão refrigerar o tubo de ensaio e a solução com corante antes de fechar o termoscópio.

IV) Os alunos deverão alinhar a ponta do tubo plástico com uma das extremidades do suporte, como mostra a foto. A etiqueta servirá para registrar a altura da coluna.

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m

IV) PRENDA O TUBO plástico com a rolha no suporte para montagem do termoscópio.

Cole a etiqueta branca ao lado do tubo.

ona.

V) COM O TUBO DE ENSAIO ainda mergu-

lhado na água gelada, coloque a rolha na boca do tubo.

VI) EMPURRE A PONTA do tubo plástico

até que fique imersa na solução com corante, mas sem tocar no fundo do tubo de ensaio.

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V) Peça aos alunos que não deixem a ponta do tubo plástico ficar imersa no momento do fechamento.

Se isso ocorrer, o líquido pode subir pelo tubo devido ao aumento de pressão do ar quando a rolha é pressionada.

VI e VII) Após mergulhar a ponta do tubo plástico na solução, os alunos deverão vedar as junções entre o tubo plástico, a rolha de EVA e o tubo de ensaio com fita adesiva. Peça aos alunos que tenham cuidado para não inclinar o tubo de ensaio nesta etapa.

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Atividade 1

Como construir um termoscópio?

Procedimento 1 (continuação)

2

Montagem de um termoscópio

Ao retirar o tubo de ensaio da água gelada, os alunos deverão observar que a solução com corante começou a subir lentamente no interior do tubo plástico. Nas explicações deles, verifique se atribuem essa subida à variação de temperatura que ocorreu no tubo de ensaio. Não é preciso chegar a uma conclusão nesse momento, pois eles continuarão investigando o equipamento que construíram.

VII) COLOQUE FITA ADESIVA para fixar a

rolha no tubo de ensaio e o tubo plástico na rolha de EVA. Ao terminar, deixe o tubo de ensaio dentro do copo com água gelada.

2

Retire o termoscópio da água gelada e, sem encostar a mão no tubo de ensaio, observe o que acontece dentro do tubo plástico. Como você explica o que observou?

FIQUE SABENDO Quando a temperatura de um material, no estado sólido, líquido ou gasoso, aumenta ou diminui, é possível observar também uma variação do seu volume. Esse fenômeno recebe o nome de dilatação térmica e deve ser levado em conta na construção de estradas, pontes, calçadas e edifícios, entre outros.

Você já reparou que em algumas pontes e viadutos há fendas que mantêm a estrutura separada por alguns centímetros? E em algumas calçadas longas de cimento você já viu ripas de madeira colocadas à mesma distância? Esses são alguns exemplos de juntas de dilatação, que permitem que a estrutura aumente e diminua de tamanho, no verão e no inverno, sem causar danos.

10

3

Ao colocar o tubo de ensaio na água quente, os alunos deverão observar que a coluna de solução com corante subiu rapidamente no interior do tubo plástico. E que, ao colocar o tubo de ensaio na água gelada, a coluna desce. Eles deverão perceber que há uma relação entre a variação da altura da coluna e a variação de temperatura. Assim, o termoscópio pode ser utilizado para identificar variações de temperatura ao se observar se há variação na altura da coluna.

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3

Coloque o tubo de ensaio no copo com água quente e observe o que acontece dentro do tubo plástico. Coloque novamente o tubo de ensaio na água gelada. Como o termoscópio pode ser utilizado para indicar variações de temperatura?

5

Para identificar se alguém está ou não com febre (maior temperatura corporal), os alunos deverão perceber que, se uma pessoa sem febre segurar o tubo de ensaio do termoscópio por um determinado tempo, a altura da coluna de solução subirá até parar. Para saber se outra pessoa está ou não com febre, ela deverá segurar o tubo de ensaio. Se a coluna subir além do ponto que parou para a pessoa sem febre, significa que a temperatura desta outra pessoa é maior que a da primeira, indicando que pode estar com febre. Se a altura for mantida ou até mesmo reduzida, ela não estará com febre.

4

Envolva o tubo de ensaio com uma das mãos, durante um minuto, e faça uma marca na altura máxima que a solução com corante atingir no tubo plástico. Coloque o tubo de ensaio novamente na água gelada até o líquido retornar à altura inicial. Repita esse processo cinco vezes e registre a altura que o líquido atingir.

Há diferença entre cada uma das medidas?

ão o

Vale lembrar que a temperatura das extremidades do corpo (mãos e pés) não corresponde à temperatura corporal, medida normalmente na boca, interior da orelha ou axila, com diferentes equipamentos.

5

Uma das utilizações do termoscópio era a de identificar se um paciente estava ou não com febre. Como você pode fazer isso com o equipamento que construiu?

11

4

Os alunos deverão observar que o equipamento construído não apresentará sempre a mesma altura da coluna de solução com corante. Eles deverão concluir que esse equipamento não é indicado para medir a temperatura, mas sim para se perceber se há variação de temperatura entre dois corpos que entram em contato com o tubo de ensaio.

Como explicar?

O termoscópio funciona devido à dilatação do ar contido no interior do tubo de ensaio.

Quando se coloca o tubo de ensaio em contato com a água gelada, a temperatura do ar diminui, fazendo com que a pressão aplicada sobre a solução com corante dentro do tubo seja menor. Mas, ao se colocar o tubo em contato com outro material mais quente, a temperatura do ar sobe e a pressão aplicada sobre a solução aumenta, fazendo com que ela suba por dentro do tubo plástico mais do que quando em contato com a água gelada. A solução com corante também dilata com a variação de temperatura, mas a sua variação de volume em relação à observada com o ar é praticamente desprezível.

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Atividade 2

C te

Atividade 2 Crie a sua escala termométrica

O

O que será feito?

Mui que ou f pod co d rado to b para para sab trica

O

s alunos utilizarão um bulbo de vidro conectado a um tubo capilar para construir um termômetro. Nesta construção, eles escolherão as temperaturas de referência e as divisões da escala. Eles deverão identificar que esse equipamento possibilita medir a temperatura com maior precisão que o termoscópio. Às vezes é necessário controlar com exatidão a temperatura de um ambiente, como em incubadoras de ovos, por exemplo.

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Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Saibam como construir um termômetro a partir de um bulbo com solução termométrica e tubo capilar, e como criar uma escala termométrica; • Aprendam como utilizar um termômetro para realizar medidas de temperatura.

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Crie a sua escala termométrica

Materiais utilizados nesta atividade • Potes de 1 L • Fita adesiva

O que você vai fazer?

Muitas vezes, não basta apenas saber se algo está quente ou frio, é preciso quantificar o quão quente ou frio está. O motor de um carro, por exemplo, não pode atingir temperaturas muito elevadas, sob o risco de danificar seriamente algumas peças. Refrigeradores e freezers devem manter temperaturas muito baixas para alguns alimentos, mas não tão baixas para outros. Como você pode criar uma referência para se medir a temperatura? Nesta atividade, você saberá como é possível criar uma escala termométrica a partir de duas temperaturas de referência.

• Caneta para retroprojetor

Material para a classe

1 1

Pote de 1 L com água e gelo picado

• Termômetro de −10 °C a +50 °C

Pote de 1 L com água quente

Material por equipe

2 1 1

Copos plásticos transparentes pequenos

• Suporte para montagem de termoscópio/termômetro de 20 x 10 cm

Caneta para retroprojetor Fita adesiva

Material por aluno

1

Suporte para montagem de termoscópio/termômetro de 20 x 10 cm

1 1 1 1

• Bulbo de vidro com tubo capilar e solução termométrica

Bulbo de vidro com tubo capilar e solução termométrica Etiqueta adesiva branca Régua (adicional)

• Etiqueta adesiva branca

Calculadora (adicional)

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• Copos plásticos transparentes pequenos

Material adicional Preparação Coloque a água com gelo picado em um dos potes de 1 L. No outro, coloque água à temperatura ambiente até a metade do pote. Meça a temperatura com o termômetro e acrescente água bem quente aos poucos, mexendo e acompanhando a subida da temperatura, até atingir um valor próximo de 45 °C. Não utilize água com temperatura acima desse valor para não danificar o termômetro e/ou o bulbo com tubo capilar.

• Régua • Água com gelo picado • Água quente • Calculadora

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Atividade 2

Crie a sua escala termométrica

Pratique!

Pratique!

1

Para se medir a temperatura é preciso antes construir um termômetro e calibrar uma escala termométrica. Como você pode criar a sua escala termométrica?

1

Nesta atividade, os alunos construirão um termômetro e uma escala termométrica. Inicie a discussão mostrando que para construir um termômetro é preciso escolher duas temperaturas diferentes de referência e estabelecer o número de divisões que a escala terá. As temperaturas de referência devem ser escolhidas entre temperaturas que podem ser obtidas sempre que for necessário calibrar um novo termômetro e, por essa razão, devem ser o mais constante possível. Caso os alunos não saibam, as temperaturas de fusão do gelo, de ebulição da água e a corporal, por exemplo, podem ser utilizadas como temperaturas de referência. Não é preciso informar o valor dessas temperaturas em qualquer escala. A intenção é que os alunos construam suas escalas termométricas de forma semelhante à dos criadores dos termômetros, a partir dessas temperaturas de referência.

Nesta atividade, a única temperatura de referência das citadas acima que não pode ser utilizada é a da ebulição da água, devido à capacidade de medida de temperatura dos bulbos com tubos capilares, que não pode ser acima de 50 °C.

FIQUE SABENDO A grandeza que representa o quão quente ou frio está um objeto em relação a algum padrão é a temperatura. Os equipamentos que medem a temperatura são os chamados termômetros e, em sua maioria, funcionam devido à dilatação térmica. Os mais comuns consistem em um bulbo de vidro preenchido por um líquido que recebe o nome de substância termométrica e ligado a um longo tubo fino de vidro. Com a mudança de temperatura, o volume da substância termométrica varia, fazendo com que a altura da coluna desse líquido dentro do tubo também varie.

Procedimento 1

Construção de um termômetro e criação de uma escala termométrica

I) COLOQUE UM POUCO de água com gelo

no copo plástico pequeno e mergulhe o bulbo de vidro dentro, como mostrado na foto. Com cuidado, segure o tubo capilar e mantenha o bulbo encostado em um pedaço de gelo.

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Procedimento 1

Construção de um termômetro e criação de uma escala termométrica I e II) Lembre sempre os alunos de que deverão manusear o tubo capilar e o bulbo de vidro com cuidado, pois são bastante frágeis. É importante que os alunos deixem o bulbo completamente imerso na água com gelo e observem a retração da coluna de solução termométrica. Quando a altura da coluna parar de diminuir, eles deverão realizar a marcação. Explique a eles que essa será uma das temperaturas de referência utilizadas na escala.

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II) QUANDO A COLUNA parar de descer,

2

com uma caneta para retroprojetor faça a marcação da altura da coluna de líquido vermelho.

rode

A intenção aqui é que os alunos verifiquem se as medidas que fizeram estão corretas e que percebam que esse novo equipamento, ao contrário do termoscópio, permite obter medidas bem semelhantes, com pouca variação de altura da coluna, da mesma temperatura. Caso os alunos percebam que é preciso refazer a marcação, esse é o momento.

III) RETIRE O BULBO da água com gelo e, com muito cuidado, envolva-o com uma das mãos. Quando a coluna de líquido vermelho parar de subir, marque a altura com a caneta para retroprojetor.

IV) FIXE O TUBO capilar no suporte, com fita adesiva, deixando o bulbo um pouco para fora, como mostrado na imagem, e coloque uma etiqueta.

2

Meça novamente a altura que o líquido atinge quando você mantém o bulbo em contato com o gelo e com o seu corpo.

Verifique se as marcas realizadas no tubo capilar representam bem essas temperaturas.

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III) A outra temperatura de referência que os alunos utilizarão é a temperatura corporal. Peça a eles que coloquem a mão na axila, entre o peito e o braço, por alguns minutos antes de segurar o bulbo. Isso serve para reduzir as diferenças de temperatura das extremidades dos membros em relação à parte central do corpo.

IV) O motivo de deixar o bulbo um pouco para fora do suporte é somente para facilitar as medidas de temperatura nesta etapa, permitindo que o bulbo seja inserido totalmente na mistura de água com gelo.

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Atividade 2

Crie a sua escala termométrica

3

3

A resposta é não. Para que percebam a necessidade de construir uma escala, os alunos deverão pensar em como utilizar a montagem que fizeram para medir a temperatura da água quente. Com a montagem da forma como está, os alunos poderão informar se a água quente está com uma temperatura maior ou menor que a do corpo humano. Peça que tentem quantificar o quão maior ou menor é essa temperatura. A intenção é que eles percebam que é preciso criar uma escala que possibilite quantificar essa diferença de temperatura.

Coloque um pouco de água quente em um copo pequeno e meça a temperatura com o seu termômetro.

•

Com a construção que realizou até agora, você pode informar qual a temperatura da água?

Procedimento 2

Como criar uma escala termométrica?

I) ESCOLHA UM VALOR para representar a temperatura da água com gelo e outro para representar a temperatura do seu corpo.

Temperatura da água com gelo, na sua escala: ___________ Temperatura do corpo humano, na sua escala: ___________ II) MEÇA A DISTÂNCIA, em milímetros, que separa os dois pon-

tos marcados no termômetro.

Distância, em milímetros, entre a altura da coluna na temperatura do corpo humano e a da água com gelo: __________

III) DIVIDA A DISTÂNCIA obtida no passo anterior por 4 e utilize o valor para aplicar a escala na etiqueta.

Procedimento 2

16

Como criar uma escala termométrica?

I) Para introduzir a ideia de escala termométrica, pergunte aos alunos sobre quais escalas de temperatura eles já ouviram falar. É esperado que eles indiquem a escala Celsius, a mais utilizada no Brasil. Você pode informar que o nome da escala é uma homenagem ao astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744), que foi quem a propôs. Neste procedimento, eles poderão criar uma escala com seu próprio nome, a escala “Antônio”, “Pedro”, “Beatriz”... Para isso, eles precisarão escolher valores para as duas temperaturas de referência. Pode ser qualquer valor que eles queiram.

II) Lembre os alunos que 1 cm é composto por 10 mm.

Assim, se a distância que eles medirem for de 5 cm e 6 mm, por exemplo, eles deverão utilizar como distância entre os pontos o valor de 56 mm.

III) Oriente os alunos a arredondarem os valores obtidos na conta.

IV) Se, por exemplo, os alunos escolherem o valor de 0° para a temperatura da mistura da água com gelo e 100° para a temperatura corporal, cada divisão da escala corresponderá a 25° na escala que criaram. Lembre-os de que, da mesma forma como acontece na régua, a cada intervalo se soma uma parte da divisão da escala, isto é, no exemplo, a primeira marca representa 25°; a segunda, 50°; a terceira, 75°; e assim por diante.

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eça

or-

4

Aqui a intenção é que os alunos percebam que, após estabelecer sua escala, eles poderão extrapolar para valores acima e abaixo do intervalo. Além disso, pretende-se chamar a atenção dos alunos para o fato de que, com várias escalas diferentes, é difícil comparar os valores de temperatura medidos.

IV) DIVIDA A DIFERENÇA entre a tempe-

ratura do corpo humano e da água com gelo, ambas na escala, por 4. O valor obtido corresponde ao acréscimo de temperatura para cada trecho da escala.

A temperatura da água quente estará acima da temperatura corporal. Para que possam medir essa temperatura, eles terão que colocar mais uma ou até duas divisões na escala do termômetro. E como cada um deles escolheu valores diferentes para as temperaturas de referência, cada um obterá escalas termométricas diferentes. Apesar de todos estarem medindo a mesma temperatura, os valores obtidos serão muito diferentes. Na próxima atividade, eles aprenderão como fazer conversões entre escalas diferentes e conhecerão as principais escalas termométricas.

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_

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FIQUE SABENDO Na construção de termômetros comerciais, os tamanhos das escalas são escolhidos de acordo com a variação do comprimento da altura da coluna de solução termométrica. Devido a pequenas variações na construção do bulbo de vidro e do tamanho do tubo capilar, dois termômetros com a mesma capacidade podem ter escalas com tamanhos um pouco diferentes entre si.

e-

_

4

Meça a temperatura da água quente e compare o valor obtido com o dos outros alunos.

17

Como explicar?

Na história do desenvolvimento dos termômetros houve a criação de várias escalas termométricas. Há estudos que indicam que, por volta de 1778, havia cerca de 27 escalas diferentes em uso por toda a Europa. Uma das principais dificuldades para se estabelecer uma escala era a escolha das misturas utilizadas para se obter uma temperatura de referência. Eram utilizadas as temperaturas de fusão do gelo, da manteiga, de misturas de água com gelo, gelo com sal de cozinha, gelo com cinzas, gelo com carvão, neve com álcool etílico, entre outras, o que dificultava a padronização na construção desses instrumentos. Em 1702, o astrônomo dinamarquês Ole Roemer (1644-1710), tendo como referência as temperaturas de fusão do gelo e de ebulição da água, propôs a construção de uma escala termométrica muito semelhante à utilizada na atualidade.

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Atividade 3

C te e

Atividade 3 Como relacionar as temperaturas em escalas diferentes?

O

O que será feito?

As mun com por Ao s tem loca lor? esca um mét form mét

O

s alunos conhecerão três das principais escalas termométricas — Celsius, Fahrenheit e Kelvin — e aprenderão como fazer a correlação entre as três. Eles utilizarão o mesmo raciocínio para criar uma forma de converter a escala que criaram na Atividade 2 para a escala Celsius. Para finalizar, eles realizarão a calibração de seus termômetros na escala Celsius.

Alguns termômetros trabalham com mais de uma escala de temperatura, como o da imagem, que mostra temperaturas em escala Celsius e Fahrenheit.

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Objetivos Com a realização dos procedimentos propostos nesta atividade, espera-se que os alunos: • Aprendam como converter a temperatura entre as três principais escalas termométricas; • Realizem a calibração de um termômetro na escala Celsius.

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Como relacionar as temperaturas em escalas diferentes?

Materiais utilizados nesta atividade • Potes de 1 L • Termômetros graduados em escala Celsius

O que você vai fazer?

As escalas de temperatura utilizadas em todo o mundo não são as mesmas. No Brasil, a escala mais comum é a Celsius. Já nos países de língua inglesa, por exemplo, a escala mais utilizada é a Fahrenheit.

Ao se preparar para uma viagem ao exterior, se você tem a informação de que a temperatura média do local é de 40 °F, você levaria roupas para frio ou calor? Como se pode converter a temperatura de uma escala para outra? Nesta atividade, você conhecerá um pouco mais sobre as diferentes escalas termométricas mais utilizadas e saberá como criar uma forma de conversão entre quaisquer escalas termométricas diferentes.

Material para a classe

1 1 2

• Canetas para retroprojetor

Pote de 1 L com água e gelo picado Pote de 1 L com água quente

• Álcool gel

Termômetros graduados em escala Celsius

Álcool gel Álgodão em discos

• Algodão em discos

Material por equipe

1 1

Caneta para retroprojetor

• Suporte para montagem de termoscópio/termômetro com 20 x 10 cm

Fita adesiva

Material por aluno

1 2 1 1

Termômetro construído na Atividade 2 Etiquetas adesivas brancas

• Fita adesiva

Régua (adicional) Calculadora (adicional)

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• Bulbo de vidro com tubo capilar e solução termométrica • Etiqueta adesiva branca

Preparação Coloque a água com gelo picado em um dos potes de 1 L. No outro, coloque água à temperatura ambiente até a metade do pote. Meça a temperatura com o termômetro e acrescente água bem quente aos poucos, mexendo e acompanhando a subida da temperatura, até atingir um valor próximo de 45 °C. Não utilize água com temperatura acima desse valor para não danificar o termômetro e/ou o bulbo com tubo capilar.

Material adicional • Água com gelo picado • Água quente • Régua • Calculadora

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Atividade 3

Como relacionar as temperaturas em escalas diferentes?

Pratique!

1

Com o seu termômetro, meça a temperatura da água com gelo e compare com o valor obtido por seus colegas.

Pratique!

1

O objetivo aqui é retomar a discussão sobre os diferentes valores que cada uma das escalas construídas pelos alunos apresentam para uma mesma medida de temperatura. Da mesma forma que os alunos construíram diferentes escalas com os mesmos valores de temperatura, outros cientistas fizeram algo semelhante quando estabeleceram as diferentes escalas termométricas mais utilizadas na atualidade.

•

Qual indica a maior temperatura? E a menor?

•

Considerando que a temperatura da mistura é a mesma para todos, como você explicaria as diferenças de valores?

FIQUE SABENDO No mundo, há várias escalas diferentes de temperatura. As três mais utilizadas são: Escala Celsius – Criada pelo astrônomo sueco Anders Celsius (1701-1744), esta escala utiliza como pontos de referência a temperatura de congelamento da água (0 °C) e a temperatura de ebulição da água (100 °C), ambas ao nível do mar. O comprimento da coluna do termômetro entre esses dois pontos é dividido em 100 partes iguais, que são chamadas de graus, compondo assim uma escala centígrada (centi – centésimo; gradus – grau).

Escala Fahrenheit – Criada pelo físico alemão D. G. Fahrenheit (1686-1736), esta escala utiliza como pontos de referência a temperatura de uma mistura de água líquida, gelo e sal de amônia (0 °F) e a temperatura do corpo humano (100 °F). Nesta escala, a temperatura de congelamento e a de ebulição da água, ao nível do mar, correspondem respectivamente a 32 °F e 212 °F, havendo, portanto, 180 divisões entre elas.

Escala Kelvin – Recebe esse nome em homenagem ao físico britânico Lord Kelvin (1824-1907). Esta escala não apresenta valores negativos, sendo 0 K a menor temperatura possível – o zero absoluto – para qualquer substância conhecida. Nesta escala, a temperatura de congelamento e a de ebulição da água, ao nível do mar, correspondem respectivamente a 273 K e 373 K, havendo, portanto, 100 divisões entre elas.

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As temperaturas obtidas de três objetos diferentes foram as seguintes: 300 K, 300 °C e 300 °F. •

Qual é o objeto que está com maior temperatura?

Para saber qual dos objetos está com maior temperatura, os alunos deverão converter todas as temperaturas para uma mesma escala. Por exemplo, para fazer a conversão da escala Fahrenheit para a Celsius, os alunos deverão utilizar a relação:

lo FIQUE SABENDO Para converter os valores entre duas escalas termométricas é preciso conhecer ao menos dois valores equivalentes nas duas escalas. Serão utilizadas as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin. O esquema abaixo representa três termômetros idênticos, sendo que cada um foi calibrado em uma escala.

es?

°C

°F 100 °C

TEMPERATURA DE EBULIÇÃO DA ÁGUA

T°F

T°C H1

373 K

h5

H2 = (212 °F – 32 °F) = 180 °F

TºC 5

H3 = (373 K – 273 K) = 100 K

h5 = T°F – 32 °F

5

300 − 32 9 =

h6 = TK – 273 K

TºC =

Como H1 = H2 = H3 e h4 = h5 = h6, pode-se escrever a seguinte relação: h h h4 = 5 = 6 H1 H2 H3

268 9 1.340 9

TºC =˜ 148,9 ºC

Substituindo essas alturas pelos seus valores, tem-se: TºC − 0 ºC TºF − 32 ºF TK − 273 K = = 100 ºC 180 ºF 100 K

=

TºC

As alturas das colunas, para quaisquer temperaturas T°C , T°F e TK que sejam iguais nesses termômetros, correspondem a: h4 = T°C – 0 °C

9

E substituir a variável T°F por 300 °F. Fazendo isso, os alunos chegarão ao valor de:

273 K

As alturas das colunas de líquido, nos três termômetros, indicadas por H1, H2 e H3, serão iguais para a temperatura de ebulição da água e, para essas escalas, essas alturas correspondem a: H1 = (100 °C – 0 °C) = 100 °C

TºF − 32

=

5

H3 h6

32 °F

0 °C

TºC

TK H2

h4 TEMPERATURA DE FUSÃO DO GELO

K

212 °F

TºC TºF − 32 TK − 273 = = 5 9 5

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Para fazer a conversão da escala Kelvin para a Celsius, os alunos deverão utilizar a relação: TºC 5

=

TK − 273 5

E substituir a variável TK por 300 K. Fazendo isso, os alunos chegarão ao valor de: TºC

2

Para que os alunos possam identificar qual valor de temperatura é o que representa maior aquecimento de um objeto, eles deverão aprender como fazer a conversão entre as escalas. De acordo com a faixa etária dos alunos e os objetivos de aprendizagem, você pode desenvolver com eles toda a dedução matemática que relaciona as diferentes escalas ou somente apresentar as expressões matemáticas de conversão entre as escalas.

5

=

300 − 273 5

TºC = 27 ºC Logo, o objeto com 300 °C é o que está com maior temperatura.

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Atividade 3

Como relacionar as temperaturas em escalas diferentes?

3

3

Para que possam utilizar o termômetro em casa e comparar os valores obtidos entre si, os alunos deverão realizar a calibração do termômetro na escala Celsius.

Sabendo os valores da temperatura da água quente e da mistura de água com gelo na escala Celsius, faça a graduação do seu termômetro nesta escala.

Procedimento 1

Calibração do termômetro na escala Celsius

I) RETIRE O BULBO de vidro com tubo capilar do suporte e, com o algodão e o álcool gel, apague as marcações feitas na Atividade 2.

II) COLOQUE O BULBO na água quente e aguarde a coluna parar de subir. Anote a temperatura que a água está na escala Celsius e faça uma marcação no tubo capilar, indicando a altura da coluna. Repita o procedimento com a água com gelo.

Procedimento 1

Temperatura da água quente, em °C: ___________

Calibração do termômetro na escala Celsius I) Para não atrapalhar este procedimento, os alunos deverão apagar as marcas que fizeram na Atividade 2 e fazer novas marcas. Peça que retirem a fita adesiva com cuidado no momento de separar o bulbo com tubo capilar do suporte.

II) Você pode orientar os alunos a se dividirem entre os dois potes: água com gelo e água quente. Lembre-os de que deverão deixar o bulbo com tubo capilar mergulhado por cerca de um minuto, até que a altura da coluna pare de variar.

III) Como os alunos utilizarão esse mesmo termômetro em casa, onde podem haver quedas, deixar o bulbo para fora do suporte pode ocasionar sua quebra.

Por essa razão, os alunos deverão colocar o bulbo com tubo capilar centralizado no suporte. Oriente-os a colocar o tubo capilar com a faixa branca voltada para baixo.

Temperatura da água com gelo, em °C: ___________

III) PRENDA O BULBO com tubo capilar no suporte com fita adesiva novamente, mas agora o coloque centralizado no suporte. Coloque a etiqueta branca ao lado do tubo capilar.

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los alunos devido a pequenas diferenças na construção dos bulbos com tubo capilar. Para acompanhar o processo, utilize como exemplo um valor de 7 cm (70 mm) como distância entre as duas marcações que os alunos fizeram.

V) Supondo que a temperatura da água quente esteja por volta de 45 °C e a da água com gelo por volta de 2 °C, as contas feitas pelos alunos serão as seguintes: (45 ºC) − (2 ºC) = 43 ºC 70 mm 43 ºC

=˜ 1,6 mm/ºC

IV) É esperado que ocorram pequenas diferenças entre as medidas tomadas pe-

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IV) MEÇA A DISTÂNCIA entre os dois pontos marcados e a diferença entre os valores das temperaturas da água quente e da água com gelo.

misdo

Sugestão

Distância, em milímetros, entre a altura da coluna na água quente e a da água com gelo: __________

Caso os alunos tenham conhecimento sobre a construção de gráficos, você pode sugerir a eles que façam um gráfico relacionando a variação de temperatura à altura da coluna do termômetro.

Para isso, eles deverão medir a altura que o líquido atinge dentro do tubo capilar quando submerso em diferentes temperaturas. A intenção é que os alunos percebam que as variações da temperatura e da altura da coluna são diretamente proporcionais, o que possibilita construir a escala como proposto na atividade.

V) FAÇA AS CONTAS indicadas a seguir: Temperatura da água quente

−

Temperatura da água com gelo

Distância, em mm, entre a altura da coluna na água quente e a da água com gelo Valor da diferença entre as temperaturas

=

=

Valor da diferença entre as temperaturas

Distância, em mm, que equivale a 1 °C de variação de temperatura

VI) CASO A TEMPERATURA da água com gelo não tenha sido 0 °C, faça o ajuste da escala, subtraindo, em milímetros, a distância equivalente à diferença de temperatura. Faça a marcação na etiqueta branca de onde ficará o “0 °C” da escala.

VII) PARA MARCAR as divisões na escala,

ala ra

multiplique a distância equivalente a 1 °C de variação de temperatura por 10. Essa distância representará uma diferença de 10 °C na escala. Não se esqueça de colocar os valores abaixo de 0 °C também.

Você também pode propor aos alunos que registrem outra escala termométrica, diferente da Celsius, colocando etiquetas do lado do suporte que não foi utilizado na atividade.

VIII) FAÇA A MARCAÇÃO nos pontos intermediários para as temperaturas de 5 °C, 15 °C, 25 °C... E também para os valores nessa escala abaixo de 0 °C. Seu termômetro está pronto.

Como explicar?

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VI) No exemplo dado, a água com gelo estava a 2 °C, isto é, 2 °C acima de 0 °C. Para encontrar a posição do “0 °C” na escala, os alunos deverão medir (2 x 1,6 mm) 3,2 mm abaixo da marcação que fizeram para a temperatura da água com gelo.

VII) Caso seus alunos encontrem dificuldades em utilizar a régua, você pode sugerir que eles cortem um pedaço de papel com o comprimento equivalente à distância que representa 10 °C de variação de temperatura.

Basicamente, para se construir uma escala termométrica para um termômetro líquido como o utilizado nesta atividade, é preciso definir duas temperaturas de referência conhecidas e registrar a altura que a coluna de líquido atinge quando ele é submetido a essas temperaturas. A diferença de altura entre esses dois pontos corresponde à diferença de temperatura entre eles, permitindo, assim, estabelecer uma escala com subdivisões, que pode ser extrapolada para temperaturas maiores e menores que as utilizadas como referência.

VIII) Os alunos poderão colocar divisões ainda menores do que 5 °C, se tiverem acostumados a utilizar a régua.

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Faça em casa

Acompanhe a variação de temperatura na sua casa I) Faça dois furos na parte superior do suporte para montagem de termoscópio/termômetro e passe um pedaço de barbante por eles, formando uma alça.

II) Pendure o termômetro em um lugar que não fique exposto diretamente ao sol ou à chuva e acompanhe a variação da temperatura ambiente ao longo de um dia, uma semana ou um mês.

Material

1 1 1

Termômetro construído na Atividade 3 Pedaço de barbante (adicional)

Tesoura com ponta ou objeto perfurante (adicional)

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Faça em casa Acompanhe a variação de temperatura na sua casa Você pode combinar com os alunos de fazer o acompanhamento da variação da temperatura ambiente na casa deles ou na escola, ao longo de um dia, uma semana ou um mês. Se quiser, pode sugerir um acompanhamento sistemático ao longo de um ano, sempre em um mesmo horário, da variação de temperatura na sua região de acordo com as estações do ano.

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