Energia

Neste episódio, as personagens exploram o conceito de energia enquanto preparam uma peça de teatro sobre a conceção de uma super máquina para produção de energia. À medida que discutem diferentes aspectos da peça, as personagens deparam-se com questões do mundo real sobre transformações, conservação e dissipação de energia. O seu diálogo leva-os a questionar se a energia pode ser “gasta” e como podemos distinguir entre energia útil e não útil. Ao envolverem-se em experiências históricas e debates concetuais, aperfeiçoam progressivamente a sua compreensão da energia como um princípio unificador em diferentes domínios da física, da química e da biologia.

Este episódio, juntamente com os materiais didáticos que o acompanham, tem como objetivo ajudar os alunos a desenvolver uma compreensão qualitativa da conservação e dissipação da energia. Através de debates orientados, perspectivas históricas e atividades práticas, os alunos reconhecerão que a energia é sempre conservada, mas pode tornar-se menos útil dependendo do sistema e do fim a que se destina.

O conceito de energia apresenta desafios bem documentados no ensino básico e secundário. Vários fatores contribuem para estas dificuldades:

A natureza abstrata da energia - A energia não é diretamente observável, o que torna difícil a sua concetualização pelos alunos.

A polissemia de “energia ” - O termo é utilizado na linguagem quotidiana de múltiplas formas, o que leva à confusão entre o seu significado científico e coloquial.

Perspectivas disciplinares - A energia é introduzida em diferentes disciplinas (física, biologia, geografia, etc.), muitas vezes com definições e aplicações diferentes.

Dificuldades de identificação do sistema - Os alunos têm dificuldade em distinguir entre um sistema e o seu meio envolvente, o que complica a análise da energia.

Estas dificuldades contribuem para equívocos comuns, incluindo:

Identificação incorrecta de energia - Os alunos confundem frequentemente energia com força, potência ou temperatura.

Interpretação incorrecta da conservação da energia - Muitos acreditam que a energia é “gasta” ou “perdida”, em vez de ser transformada.

Concepções alternativas de energia (Watts, 1983; Trumper, 1993):

Visão antropológica - A energia está associada apenas aos seres vivos.

Visão substancialista - A energia é tratada como uma substância tangível que se esgota como um combustível.

O objetivo deste episódio é abordar estas ideias erradas, realçando a conservação da energia e a transferência de energia ao longo de uma cadeia energética, ao mesmo tempo que se destaca a distinção entre a energia associada a mudanças físicas como sendo “útil” ou “não útil”, dependendo da perspetiva do observador.

O episódio introduz diferentes ideias-chave que podem ser designadas como conceitos relacionados com a energia.

1. Para pensar em termos de energia, é essencial definir primeiro os conceitos de estado físico e de mudança. O estado físico de um objeto ou sistema consiste em variáveis mensuráveis, como a posição, a velocidade ou a temperatura num determinado momento. Uma mudança ocorre quando pelo menos uma destas variáveis varia entre um estado inicial e um estado final.

2. Uma abordagem qualitativa da energia ajuda a estabelecer uma compreensão intuitiva: Diferentes estados iniciais podem por vezes conduzir à mesma mudança, o que significa que têm uma capacidade equivalente para produzir essa transformação. Por exemplo, um copo de água pode ser aquecido à mesma temperatura através de muitos mecanismos diferentes (por fricção, por compressão, por radiação solar, por aquecimento num forno, etc.). Esta equivalência permite aos cientistas introduzir o conceito de energia como uma medida da capacidade de produzir mudanças. Com este enquadramento, a energia torna-se uma ferramenta para comparar diferentes transformações e compreender as suas relações.

3. A transferência de energia também pode ser entendida como uma cadeia de mudanças. Na vida quotidiana, as mudanças raramente acontecem de forma isolada; em vez disso, uma transformação desencadeia outra (isto pode ser metaforizado com as Máquinas de Goldberg). Embora a energia não seja uma substância física que se desloca de um sítio para outro, a linguagem da “transferência de energia” ajuda a descrever estes processos de uma forma simplificada. Esta ferramenta concetual permite discutir o armazenamento e a transferência de energia , facilitando o acompanhamento das transformações em sistemas complexos.

4. A taxa de transferência de energia também desempenha um papel crucial na forma como as mudanças ocorrem. A mesma transformação pode ocorrer a diferentes velocidades, consoante a potência da fonte de energia. Por exemplo, derreter uma barra de chocolate com uma lâmpada fraca demora muito mais tempo do que com uma lâmpada mais potente. Este facto ilustra a importância da potência - a taxa a que a energia é transferida - quando se analisam as cadeias energéticas e a eficiência.

5. Ao considerar as transformações de energia, é útil diferenciar entre mudanças úteis e não úteis, dependendo do contexto. Numa lâmpada, a luz visível é uma mudança útil, enquanto o aquecimento da lâmpada não é. Do mesmo modo, numa torradeira, a alteração desejada é o aumento da temperatura do pão, enquanto a luz vermelha emitida é uma consequência não intencional. Os físicos referem-se ao fenómeno de diminuição da energia útil ao longo de uma cadeia energética como degradação da energia.

6. A degradação da energia é uma consequência natural de todas as transformações na natureza. Sempre que se utiliza energia para produzir uma alteração, a capacidade do sistema para gerar outras transformações úteis diminui. Isto significa que a quantidade de energia disponível para efetuar as transformações pretendidas diminui ao longo do tempo, à medida que se dispersa em formas menos úteis.

7. Se a energia se degrada, porque é que algumas transformações à nossa volta se mantêm indefinidamente? Nesses casos, é necessário introduzir energia adicional de fontes externas no sistema para compensar essas perdas. Isto acontece, por exemplo, em muitos ciclos biogeoquímicos, como o ciclo do carbono ou o ciclo da água, uma vez que o sistema energético da Terra é sustentado pela entrada contínua de energia do Sol. Sem esta fonte externa, a capacidade de sustentar alterações em grande escala diminuiria.

8. Apesar da degradação da energia, a quantidade total de energia mantém-se conservada. Se se medissem todas as transferências de energia, incluindo as úteis e as não úteis, o valor total manter-se-ia constante. Para ilustrar este conceito, é utilizada uma abordagem histórica, centrada na experiência da roda de pás de Joule, que demonstrou que o calor não é uma substância, mas uma forma de movimento. Esta experiência desempenhou um papel crucial no desenvolvimento do conceito de conservação de energia, apesar de o próprio Joule não a ter enquadrado nesses termos. No entanto, em aplicações práticas, a redução das perdas de energia através de processos eficientes pode ajudar a maximizar as transformações úteis. Ao aumentar a eficiência, podemos controlar a fração de energia que permanece disponível para as transformações desejadas.

9. Neste ponto, surge uma questão importante: Se a quantidade total de energia se mantém conservada mas, ao longo de uma cadeia energética, a quantidade total de energia útil diminui em cada etapa, para onde vai o “resto” da energia? À medida que a energia se degrada ao longo de uma cadeia, normalmente dispersa-se no ambiente sob a forma de calor, som ou movimentos microscópicos de partículas. Embora esta energia dispersa ainda esteja presente no sistema, torna-se cada vez mais difícil de aproveitar para trabalho útil posterior. A compreensão deste conceito ajuda os alunos a perceber porque é que a entrada contínua de energia é necessária para sustentar processos complexos em sistemas naturais e tecnológicos.

10. Para representar a quantidade de energia transferida numa cadeia energética, podem ser utilizados diagramas de Sankey. Este é um tipo de diagrama de fluxo em que a largura das setas é proporcional ao fluxo representado. Os diagramas de Sankey podem ser utilizados para visualizar, por um lado, o consumo de energia necessário para o funcionamento de um ou mais sistemas (lâmpadas, veículos, aquecimento, etc.). Por outras palavras, a distribuição da energia produzida pelo(s) sistema(s) a partir da energia de entrada (em particular, o que é efetivamente “útil” para o funcionamento do sistema e o que resulta de uma degradação da energia de entrada, designada por “energia inútil”). O diagrama de Sankey tem a vantagem de mostrar as quantidades de energia que entram e saem e, de acordo com o princípio da conservação, a soma das larguras das setas de entrada deve ser igual à soma das larguras das setas de saída.

Em 1842, o médico alemão Robert Mayer apresentou o valor do equivalente mecânico do calor. Ele partiu do princípio de que “qualquer causa é igual ao seu efeito”. Como é que ele utilizou este princípio? Ao agitar vigorosamente a água num recipiente, observou que o único efeito era o aumento da temperatura da água. Disse então que a agitação era a causa e o calor resultante era o efeito. Postulou que “algo” associado à ação mecânica deveria ser igual a “algo” associado ao calor produzido. Introduziu então um novo termo. Designou a causa por “força” e o efeito por “força”. Como ele partiu da ideia de que “causa=efeito”, então “força=força”. Então, ele disse que a “força” não varia. Como não varia, ele disse que a força é conservada. Como é que ele pode afirmar que a força se conserva, quando os dois fenómenos observados são muito diferentes um do outro (a ação mecânica de agitar a água e o calor, evidenciado pelo aumento da temperatura da água)? Para defender esta conservação, Mayer acrescentou a ideia de que a “força” se “transforma”. Assim, uma forma de “força” (ação mecânica) é transformada noutra forma (calor). Estas propriedades da “força” de Mayer - a “força” é indestrutível e transformável - foram adoptadas para a energia. Este facto pode ser observado no princípio da conservação da energia: a energia não se cria nem se destrói, apenas se transforma.

Em 1843, Joule, um jovem que fazia experiências como passatempo, realizou uma experiência para provar que o calor não é uma substância, mas uma espécie de movimento. Nessa altura, o calor era considerado como algo material associado a um objeto. Quando dois objectos interagiam, a quantidade total de calor não se alterava. Para provar que isso estava errado, era necessário mostrar que, nalgumas situações, essa quantidade total podia variar. Foi o que demonstrou nas suas experiências, onde a temperatura aumenta com a ação mecânica, então a quantidade total de calor não é constante.

Para provar isso, bastava mostrar que a “quantidade de calor” de um fenómeno pode variar. Porquê? Se pode variar, não pode ser uma substância. Se não fosse uma substância, então, de acordo com a ciência da época, teria de ser movimento. As experiências mostraram que a quantidade de calor variava, pelo que o calor devia ser um tipo de movimento. Perguntou se existia uma proporcionalidade entre a ação mecânica utilizada na experiência e o calor produzido. Para responder a esta questão, efectuou as mesmas experiências e determinou aquilo a que chamamos o equivalente mecânico do calor. Entre 1845 e 1850, efectuou experiências - as experiências da roda de pás - para determinar com maior precisão o equivalente mecânico do calor.

Figura 2. Esquema original da experiência de Joule.

Em 1851, Thomson (mais tarde Lord Kelvin) introduziu o termo “energia” na teoria do calor. A palavra existia no léxico e significava “atividade”. O significado de energia foi-se alterando ao longo do tempo. Por isso, começou a subsumir as abordagens de Mayer e Joule, como se ambos tivessem feito a mesma coisa. Concordaram com o equivalente mecânico do calor, mas divergiram na interpretação dos fenómenos. Mayer não afirmava que o calor era movimento, mas sim que era “uma forma de energia (força)”. Na década de 1880, diferentes cientistas britânicos avançaram com a ideia de que a energia era uma “coisa real que se move no espaço” e, desde essa altura, ainda temos a ideia de que a energia é transferida. O desenvolvimento do conceito continuou e tornou-se confuso. O prémio Nobel Richard Feynman afirmou na década de 1960: “É importante perceber que na física atual não sabemos o que é a energia” (Feynman et al., 1963, Sect. 4-1). Atualmente, muitos físicos ainda se colocam esta questão: O que é exatamente a energia?

Por esta razão, a abordagem concetual proposta neste recurso não se centra na definição de energia, mas na sua utilização operacional para descrever, prever e explicar os fenómenos naturais que nos rodeiam em termos de transferência de energia, conservação de energia e degradação de energia.

pré-requisitos

Tal como referido na secção anterior, não é necessário definir formalmente o conceito de energia antes de começar a banda desenhada, uma vez que esta definição é controversa e pode conduzir a uma afirmação abstrata e sem sentido. Em contrapartida, os alunos podem utilizar grandezas físicas simples, como a temperatura ou o movimento, para utilizar intuitivamente a ideia de energia, como “quanto mais temperatura, mais energia”, “quanto mais velocidade, mais energia”, etc. Ao utilizar este raciocínio de forma intuitiva, assumimos que é provável que encontremos equívocos e confusões relativamente à energia ao longo do processo de aprendizagem (ver a secção sobre o ponto de vista dos alunos, acima). Estas ideias erradas - tais como a energia ser uma substância tangível, a crença de que a energia se perde em vez de se transformar, ou o mal-entendido entre energia útil e não útil - surgirão à medida que os alunos se envolverem com a banda desenhada e as actividades.

O papel da banda desenhada e das actividades que a acompanham é ajudar os alunos a confrontar estas ideias erradas e a construir progressivamente um modelo coerente de energia baseado em ideias científicas fundamentais (ver a secção Abordagem Conceptual acima). Seguindo a história e refletindo sobre situações relacionadas com a energia, espera-se que os alunos passem de uma compreensão intuitiva mas incorrecta para uma concetualização estruturada e cientificamente sólida da energia. Os debates e as experiências servirão de suporte para orientar este desenvolvimento concetual.

Actividades práticas para promover o debate

Uma forma eficaz de reforçar a compreensão dos alunos sobre a conservação da energia é através de experiências práticas que lhes permitam observar e analisar as transformações de energia no mundo real. Uma experiência simples mas perspicaz consiste em deixar cair bolas de diferentes materiais e tamanhos da mesma altura. Observando cuidadosamente e discutindo os resultados, os alunos notarão que a energia da bola em queda é transferida para a areia e para o ambiente, produzindo um aumento da temperatura e do som aquando do impacto. Esta experiência serve como demonstração concreta da equivalência da energia em diferentes estados iniciais: deixar cair uma massa duas vezes mais pesada é equivalente a deixar cair uma massa duas vezes mais alta.

Outra atividade interessante envolve a exploração de tentativas históricas para compreender as máquinas de movimento perpétuo. Os alunos analisam projetos de diferentes épocas e identificam as razões pelas quais essas máquinas acabam por falhar. Esta discussão realça os princípios da dissipação de energia e da entropia, reforçando a compreensão de que as transformações de energia envolvem sempre alguma perda para o meio envolvente, normalmente sob a forma de calor. Ao examinar criticamente a razão pela qual o movimento perpétuo é impossível, os alunos desenvolvem uma apreciação mais profunda das leis da termodinâmica.

Modelação com representações visuais

A utilização de diagramas de Sankey ajuda a visualizar as transferências de energia em diferentes sistemas. Os alunos podem analisar vários cenários energéticos do mundo real, como o motor de um carro ou um sistema de aquecimento doméstico, e mapear a forma como a energia flui através destes processos. Ao distinguir entre energia útil e energia dissipada, os alunos podem refletir sobre a eficiência e a forma como a otimização da utilização da energia é uma preocupação fundamental na engenharia e nas ciências ambientais. Esta abordagem incentiva-os a pensar para além dos conceitos teóricos e a considerar como a conservação da energia se aplica aos avanços tecnológicos e aos esforços de sustentabilidade.

Ligação a questões sócio-científicas (SSI)

Para contextualizar ainda mais os debates sobre energia, os alunos podem explorar questões sócio-científicas contemporâneas relacionadas com a produção e o consumo de energia. Uma forma de o fazer é examinar as tendências globais de consumo de energia, analisando dados reais sobre a utilização de energia em diferentes países e sectores económicos. Esta abordagem permite aos alunos compreender como a procura de energia tem evoluído ao longo do tempo e os desafios associados ao equilíbrio entre as necessidades energéticas e a sustentabilidade.

Um debate relacionado pode centrar-se na eficiência energética e na forma como os avanços tecnológicos ajudam a otimizar a utilização da energia. Ao analisar estudos de casos, como aparelhos energeticamente eficientes, veículos eléctricos ou técnicas de isolamento melhoradas, os alunos podem avaliar as aplicações práticas da conservação de energia. Isto incentiva o pensamento crítico sobre a forma como a ciência e a engenharia contribuem para resolver os desafios relacionados com a energia.

Finalmente, os alunos podem participar em debates ou projetos que discutam o impacto ambiental de diferentes fontes de energia. Ao compararem as energias renováveis e não renováveis, podem pesar as vantagens e desvantagens dos vários métodos de produção de energia. Este debate pode levar a uma exploração do papel da política e da inovação na construção de um futuro sustentável. Ao associar o conceito de energia a questões do mundo real, os alunos adquirem uma perspetiva mais ampla do seu significado para além da sala de aula de física, promovendo uma compreensão mais interdisciplinar e aplicada do tópico.

Para apoiar e alargar a aprendizagem dos alunos, estão disponíveis diferentes recursos complementares. Pode descarregar estas actividades num documento editável.

Documento 1: Inventário breve de conceitos de energia

Este pequeno inventário consiste em perguntas de escolha múltipla destinadas a diagnosticar as ideias pré-existentes dos alunos e potenciais conceitos errados sobre energia. Abrangendo tópicos como a energia potencial gravitacional, a transferência de energia e a conservação, esta ferramenta de avaliação ajuda os professores a identificar áreas que requerem maior clarificação e permite aos alunos acompanhar o seu progresso concetual ao longo do tempo.

Documento 2: Questões para responder depois de ler a banda desenhada

Este recurso contém um conjunto de perguntas concebidas para serem respondidas apenas depois de os alunos terem lido a banda desenhada. As perguntas incentivam os alunos a refletir sobre conceitos-chave como a conservação da energia e as transformações, estabelecendo simultaneamente ligações diretas com a história. Também promovem o pensamento crítico, pedindo aos alunos que expliquem fenómenos físicos e representem fluxos de energia através de diagramas.

Documento 3: Investigar como os objectos se afundam na areia

Esta atividade prática explora a relação entre a massa de um objeto, a altura da queda e a profundidade com que se afunda na areia. Ao experimentar com diferentes variáveis, os alunos podem analisar a equivalência de diferentes estados iniciais para produzir o mesmo efeito. O recurso fornece etapas de investigação estruturada, previsões e oportunidades de análise de dados.

Documento 4: Compreender a dissipação de energia através do Diagrama de Sankey

Esta atividade leva os alunos a analisar a dissipação de energia através da utilização de diagramas de Sankey. Ao visualizarem os fluxos de energia em diferentes sistemas, os alunos exploram a forma como a energia é dividida entre energia útil e energia dissipada. Esta abordagem incentiva-os a avaliar criticamente a eficiência e a compreender os princípios da conservação de energia. Através de vários exercícios, os alunos irão modificar e interpretar os diagramas de Sankey para refletir diferentes cenários do mundo real, ajudando-os a compreender o impacto da dissipação de energia e a importância de otimizar a utilização da energia.

Documento 5: Investigação de máquinas de movimento perpétuo

Este recurso desafia os alunos a examinar criticamente vídeos que afirmam mostrar máquinas de movimento perpétuo. Analisando as interações mecânicas e identificando as fontes de energia externa, os alunos utilizam o raciocínio científico para desmentir a viabilidade do movimento perpétuo. A atividade enfatiza a segunda lei da termodinâmica, destacando a razão pela qual a dissipação de energia impede que as máquinas funcionem indefinidamente sem uma fonte de energia externa.

Documento 6: Vídeo de uma suposta máquina de movimento perpétuo baseada em engrenagens

Este vídeo apresenta um sistema mecânico que afirma funcionar indefinidamente sem uma fonte de energia externa. O mecanismo consiste em engrenagens interligadas, alavancas e elementos rotativos que parecem sustentar o movimento por si só. No entanto, ao analisar as forças em jogo, os alunos podem avaliar criticamente porque é que o movimento perpétuo é impossível de acordo com as leis da termodinâmica. O vídeo serve como ferramenta para identificar entradas de energia ocultas, perdas por fricção e dissipação de energia em sistemas mecânicos.

Documento 7: Vídeo de um suposto sistema de movimento perpétuo à base de água

Este segundo vídeo apresenta um sistema acionado por água que aparentemente continua a mover-se sem a entrada de energia externa. A configuração envolve um fluxo contínuo de líquido que se move através de tubos e rodas, sugerindo um ciclo de energia sem fim. Os alunos são incentivados a analisar os componentes, a questionar o papel da gravidade e a identificar a razão pela qual as perdas de energia por fricção e resistência tornam inatingível o verdadeiro movimento perpétuo. Ao desconstruir as afirmações feitas no vídeo, os alunos desenvolvem uma compreensão mais forte da conservação e dissipação de energia.

A sequência didática que se segue foi concebida para integrar a leitura da banda desenhada com atividades estruturadas que ajudam os alunos a analisar e a aperfeiçoar a sua compreensão dos conceitos de energia. A sequência abrange duas sessões de aula e inclui debates, atividades práticas e momentos de avaliação para consolidar a aprendizagem.

Primeira aula (1h)

Questionário individual - Documento 1 (20 min)

Os alunos começam por responder a um questionário individual concebido para avaliar os seus conhecimentos prévios e identificar potenciais ideias erradas relacionadas com a energia. Esta atividade de diagnóstico, fornecida no Documento 1, permite que os alunos se envolvam em conceitos-chave antes de serem apresentados à banda desenhada. O professor recolhe e revê as respostas para adaptar os debates seguintes.

Leitura individual (20 min)

Os alunos lêem a banda desenhada individualmente, o que lhes permite familiarizar-se com o enredo e os temas científicos sem explicação prévia. Os alunos são encorajados a tomar notas sobre quaisquer aspectos confusos ou ideias surpreendentes que encontrem durante a leitura. A banda desenhada serve para introduzir os conceitos de energia de forma progressiva, permitindo que os alunos se envolvam naturalmente com as ideias.

Atividades pós-leitura - Documento 2 (20 min)

Após a leitura, os alunos realizam atividades estruturadas com base no Documento 2, que contém perguntas orientadoras que os levam a refletir sobre os conceitos-chave introduzidos na banda desenhada. Estas atividades foram concebidas para proporcionar um enquadramento para o debate de alguns dos conceitos incluídos na banda desenhada. Os alunos trabalham em pequenos grupos para comparar as suas respostas antes de participarem num debate com o professor.

Segunda aula (1h)

Experiência: Investigar como os objectos se afundam na areia - Documento 3 (20 min)

Os alunos participam numa experiência prática utilizando o Documento 3, que se centra na forma como objetos de diferentes massas e alturas de queda se afundam na areia. Realizam experiências deixando cair diferentes objectos e medindo a profundidade a que se afundam, registando as suas observações. O objetivo é relacionar estes resultados experimentais com o conceito de transferência de energia, reforçando a forma como a energia cinética se desloca para outros objetos após o impacto. O professor facilita uma discussão para ligar a ideia de equivalência de diferentes estados que produzem a mesma mudança.

Diagrama de Sankey - Documento 4 (20 min)

Os alunos recuperam o diagrama de Sankey já apresentado na banda desenhada, uma representação visual das transferências de energia num sistema. Usando o Documento 4, analisam diferentes exemplos e identificam como a energia flui através de vários processos. A atenção centra-se na distinção entre energia útil e dissipada, reforçando o conceito de degradação e eficiência energética em aplicações do mundo real.

Analisar máquinas de movimento perpétuo - Documento 5, 6 e 7 (20 min)

Os alunos vêem e analisam vídeos de supostas máquinas de movimento perpétuo. Utilizam os seus conhecimentos sobre conservação e degradação de energia para avaliar criticamente porque é que essas máquinas não podem funcionar indefinidamente. Através desta atividade, reforçam a sua compreensão da segunda lei da termodinâmica e da impossibilidade de criar um sistema que funcione sem uma entrada contínua de energia. Segue-se um debate na turma para desconstruir os mecanismos apresentados nos vídeos e reforçar a razão pela qual as transferências de energia envolvem sempre alguma perda para os objectos ou sistemas circundantes.

Extensões opcionais

Para turmas com mais tempo disponível ou para um envolvimento mais profundo, podem ser incorporadas actividades adicionais:

Debate sobre o problema energético global: Os alunos examinam dados sobre o consumo mundial de energia e debatem as implicações para a sustentabilidade.

Comparação de transferências de energia: Utilizando exemplos do mundo real, os alunos avaliam a eficiência em diferentes sistemas e como a tecnologia visa otimizar a utilização da energia.

Debate sobre utilização e eficiência energética: Os alunos participam num debate estruturado sobre se as medidas de eficiência energética devem ser obrigatórias nas indústrias e nos lares.

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