ISBN 978-85-85905-15-6
Área
Físico-Química
Autores
de Almeida Morais, K. (UESPI) ; Pryscilla da Costa e Silva, T. (UESPI) ; Araújo Silva, D. (UESPI) ; Simone Cardoso, F. (UESPI) ; Oliveira Meira Gusmão, G. (UESPI)
Resumo
A formulação do princípio da conservação da energia é um exemplo de longo amadurecimento, quase dois séculos e meio, de uma ideia que se tornou uma das leis básicas da física e cuja generalização foi alcançada ao ser formalizada como primeira lei da termodinâmica. No presente trabalho, apresenta-se uma relação entre a teoria e prática afim de um melhor aprimoramento do ensino de termodinâmica no âmbito educacional.
Palavras chaves
Joule Thomson; Trabalho; Termodinâmica
Introdução
James Prescott Joule (1818-1889) caracterizou-se por ter realizado várias contribuições importantes para a termodinâmica, a principal delas um minucioso e perseverante trabalho experimental para determinar o equivalente mecânico do calor onde, ao longo de 35 anos, aperfeiçoou métodos experimentais a fim de conseguir crescente precisão, como se observa em seus sucessivos trabalhos [2,3,5]. Chegou a estudar com Dalton por dois anos, em um grupo privado de estudantes, filhos de famílias que professavam a doutrina quacre [4], de quem recebeu grande influência, mas foi um cientista "amador" filho de proprietário de uma cervejaria [1]. Seu invento mais conhecido consistia em um dispositivo no qual duas massas presas por um fio passavam por duas roldanas, conforme mostra a figura acima. De acordo com o movimento de descida das massas, o sistema de aletas girava fazendo com que a temperatura da água no interior do recipiente aumentasse. Como as áreas de contato eram bem lubrificadas, a diminuição da energia potencial gravitacional das massas fazia com que a água ficasse mais “agitada”, isto é, havia um aumento de sua energia cinética. A partir do momento em que as massas parassem, a água entraria em repouso. Joule observou que a temperatura da água aumentava e isso correspondia a um aumento de sua energia interna. Em outras palavras, o trabalho realizado pela força da gravidade era convertido em aumento da energia interna [6]. Nesta perspectiva, este trabalho objetivou por meio da experimentação, relacionar a teoria com a prática e obter um aperfeiçoamento do conteúdo abordado durante a sala de aula.
Material e métodos
Inicialmente cortou-se um pedaço de madeira, a base do experimento, onde nas extremidades fixaram-se duas polias grandes. Em seguida colaram-se os vidros em formato de uma caixa e montou-se o sistema, que consistia em uma haste de ferro contendo hélices em sua parte inferior, colocada horizontalmente no meio da caixa de vidro. Cortou-se outro pedaço de madeira que serviu como a tampa da caixa, perfurou-se com a furadeira o meio da tampa onde encaixou-se a haste centralizada no meio da caixa e colocaram-se as hélices na ponta da haste, já nas extremidades da tampa fixaram-se duas polias pequenas. Com a caixa de vidro fechada, fixou duas polias na haste. As hélices foram colocadas em movimento através da manivela ao qual se ligavam duas massas voltadas a um fio de náilon, onde estavam seguras por outro fio ligados a polia. A queda das massas arrastava então as hélices por meio da manivela, e a fricção gerada pelo movimento das hélices na água aquecida.
Resultado e discussão
O trabalho é uma quantidade algébrica;
quando a manivela é acionada e os
pesos estão suspensos o trabalho é
positivo e o mesmo foi produzido nas
vizinhanças; quando os pesos são
abaixados o trabalho é negativo e o
mesmo foi destruído nas vizinhanças,
logo a energia interna do sistema
aumenta. No sistema não existe troca
de calor entre as vizinhanças, pois o
sistema é isolado adiabaticamente.
Como a primeira lei da termodinâmica
fala do princípio de conservaçao de
energia, no início pode-se observar
que existe somente energia potencial,
quando a manivela é acionada os pesos
que antes estavam suspensos caem e a
energia potencial vai diminuindo e
quando chega ao chão é transformada em
energia cinética, comprovando assim o
princípio da conservação da energia,
logo a energia final é igual a energia
potencial. O sensor colocado dentro do
sistema foi conectado a um programa
computacional (arduino), onde o mesmo
capturava a variação de temperatura de
1 em 1 segundo e o progama ainda
mostrava as variações de temperatura
em várias escalas: kelvin, celsus e
farenheight. O trabalho nas
vizinhanças é convertido em energia
térmica no sistema, onde a destruição
de trabalho produz uma variação de
temperatura no sistema, se o trabalho
(W) é destruído numa transformação
adiabática, W é negativo e a energia
interna é positiva. O presente
experimento foi apresentado aos
graduandos de Química da Uespi na
disciplina de físico-química e foi
aplicado um questionário aos
aluno,onde sob aplicado um
questionários aos alunos, aonde 95%
dos entrevistados conseguiram
aprimorar e aperfeiçoar o conteúdo com
o experimento.
Conclusões
Foi possível com o experimento de joule thomson, relacionar a teoria com à prática, e para 95% dos entrevistados, o experimento serviu pra aperfeiçoar e aprimorar o conhecimento adquirido durante o assunto abordado.
Agradecimentos
UESPI.
Referências
[1] I. Prigogine and D. Kondepudi, Thermodynamique: Des Moteurs Thermiques aux Structures Dissipatives (Ed. Odile Jacob, Paris, 1999), p. 58.
[2] J.P. Joule, in The Scientific Papers of James Prescott Joule (Dawson's, London, 1963), p. 192-200.
[3] J.P. Joule, On Specific Heat, 1844, p. 189-192.
[4] C. Smith, The Science of Energy - A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain, (The Athlone Press, London, 1998).
[5] J.P. Joule, On the Mechanical Equivalent of Heat, 1849, p.298-328.
[6] http://www.mundoeducacao.com/fisicaexperiencia-joule.htm
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