A compreensão dos conceitos em Física Térmica, conforme citação de Covolan (2004) é tida como impopular e difícil de ser trabalhada entre os alunos “por tratar fenômenos em que a matemática que os exprime, aparece dissociada do cotidiano vivenciado por esses indivíduos” (COVOLAN, 2004, p. 2). Dessa forma, afirma Covolan, é recomendável atrelar esses conceitos não só ao contexto histórico em que os mesmos foram formulados, como também às concepções prévias dos estudantes. Em outra pesquisa, Covolan e Silva (2005), retratam o grande desafio de superar esse paradigma dos conteúdos que são repassados de maneira acrítica “valorizando a memorização apática por parte dos estudantes” (COVOLAN e SILVA, 2005, p. 97), conduzindo a novas estratégias de aprendizado que promovam essas mudanças no campo conceitual.
Em quatro dos seis livros de Física analisados percebeu-se a vinculação dos conceitos às expressões matemáticas que os definem, não se observando a evolução conceitual dos termos e tampouco referências as concepções prévias em relação aos mesmos, conforme afirma Covolan (2004).
Embora o calor e sua propagação já tenham sido discutidos em capítulo específico no início de cada obra, não se observa uma análise mais integradora entre calor e trabalho, exceto em F5. F6 aborda em seções específicas, concepções prévias e a evolução conceitual. De F1 a F4, a forma de apresentação dos conceitos é muito semelhante, inclusive na mesma sequência, priorizando as expressões matemáticas que caracterizam as transformações gasosas quando da aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica. E o funcionamento da máquina térmica e o ciclo de Carnot, quando da abordagem da Segunda Lei da Termodinâmica. Nenhuma delas faz referência a Química ou ao conceito de Entalpia, cuja definição está associada também à Primeira Lei da Termodinâmica. Pouco se discute nessas obras o conceito de Entropia, deixada para o final do capítulo em todas as obras. Segundo Serway e Jewett, Jr. (2006), “entropia é um dos tópicos mais abstratos e fascinantes da física” (SERWAY e JEWETT, 2006, p. 645), entretanto é colocada a margem dos conteúdos, de maneira simplificada e reduzida. Ela pode ser estudada sob o ponto de vista macroscópico, segundo a definição de Clausius e também microscópico, fundamentado na lei das probabilidades de maior ocorrência de determinado estado
das moléculas, conforme estabeleceu Boltzmann. Essas duas abordagens de entropia levam a uma maior compreensão dos processos reversíveis e irreversíveis.
A seguir, vejamos mais algumas descrições desses livros no campo dos conceitos:
No livro F1 os termos-chave como sistema, vizinhança, fronteira bem como sistema isolado, fechado, aberto, termicamente isolado são definidos e como explicitado na categoria anterior, sem nenhum contexto. Logo depois, os conceitos de Energia Interna e o trabalho envolvido nas transformações gasosas são apresentados seguidos dos gráficos e expressões matemáticas. A Primeira Lei da Termodinâmica tem seu postulado reduzido à expressão ∆U = Q – Τ, sem nenhuma discussão sobre esse princípio. A partir dessa expressão, define as respectivas transformações gasosas: isotérmica, isocórica e isobárica. Calor molar, relação de Mayer, a transformação adiabática e a transformação cíclica compõem os conteúdos referentes à Primeira Lei da Termodinâmica. A Segunda Lei da Termodinâmica fica reduzida a discussão sobre máquinas térmicas e de refrigeração bem como o Ciclo de Carnot. O conceito de Entropia fica muito limitado a visão macroscópica, conforme o conceito dado por Clausius, fundamentado na espontaneidade da transferência do calor da fonte quente para a fonte fria quando do funcionamento da máquina térmica. O caráter probabilístico da entropia é abordado em uma caixa de texto. Entretanto o texto não faz nenhuma referência com relação à evolução conceitual desse termo, como também fala do caráter probabilístico sem mencionar o papel de Boltzmann, na construção desse conceito de entropia. A redução do significado do conceito de entropia também foi observada nos livros de química Q1, Q2 e Q3. Essa é uma característica reducionista dos livros que parecem não se importar mais com o significado desse conceito para abordar aspectos tão relevantes do conteúdo de termodinâmica química.
Em F2 não se encontra muitos comentários sobre as leis. A prioridade é para os cálculos das transformações gasosas. Esta é bem a visão da ciência pronta e acabada, conforme analisa Robillota (1988) apud Covolan e Silva (2005):
“Encarar a Ciência como um produto acabado confere ao conhecimento científico uma falsa simplicidade que se revela cada vez mais como uma barreira a qualquer construção, uma vez que contribui para a formação de uma atitude ingênua diante da ciência”(COVOLAN e SILVA, 2005, p. 98).
Conforme se vê na Figura 17, após a definição matemática (expressão matemática), são apresentados os exemplos da aplicação dessa expressão para as diferentes transformações gasosas (isobárica, isocórica, isotérmica, adiabática).
Semelhante ao livro F1, a Segunda Lei da Termodinâmica enfatiza a máquina térmica/frigorífica e o ciclo de Carnot em detrimento da entropia, cuja visão fica restrita ao conceito macroscópico formulado por Clausius e a respectiva expressão matemática S = Q/T.
As obras F2, F3 e F4 não definem sistema, vizinhança, fronteira, etc., como na obra F1, mas seguem a mesma sequência de conteúdos, sem apresentarem diferenças significativas. Esses conteúdos são apresentados teoricamente, seguidos das respectivas expressões matemáticas e com exemplos de aplicação direta dessas expressões, bem à semelhança dos livros didáticos tradicionais. A Figura 18 contida em F1 serve de ilustração para mostrar a forma como as transformações gasosas são abordadas nas obras F1, F2, F3 e F4, quando da aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica.
Figura 17 - Texto referente à Primeira Lei da Termodinâmica
Figura 18 - Parte do conteúdo do livro F1, página 110, ano 2010.
Vê-se no livro F3, a Primeira Lei sendo apresentada de forma mais prática, mostrando o princípio da conservação da energia a partir do funcionamento da panela de pressão, conforme observamos na Figura 19, mostrando as trocas energéticas ocorridas durante o processo de cozimento de um alimento.
Igualmente ao livro F2, a Segunda Lei da Termodinâmica é tratada, enfatizando o funcionamento das máquinas térmicas e do ciclo de Carnot, porém avança um pouco mais no conceito de entropia, mostrando a contribuição de Boltzmann para a Termodinâmica.
Figura 19 - Imagem referente ao livro F3, página167, ano 2010.
Em relação ao livro F4, não se percebe grandes diferenças em relação aos livros F1, F2 e F3. Os conceitos são mais focados para a aplicação das expressões matemáticas. Utilizam-se muitas figuras para destacar as expressões matemáticas na definição das transformações gasosas, porém destituídas de legendas, sem grandes contribuições para a compreensão dos conceitos (Vê Figura 20, da página 118 do livro F4). As representações em nível microscópico ficam sem explicação, pois o texto não se refere a esse tipo de representação, tampouco aparecem nas legendas das figuras.
Figura 20 - Referente aos conteúdos do livro F4, página 118, ano 2010.
Já no livro F5, os conceitos são introduzidos no volume 1 da obra. Energia interna, calor e trabalho são discutidos juntamente com o funcionamento da máquina térmica, antes de se abordar as variáveis termodinâmicas. Como se observa nos trechos em destaque na Figura 21 (primeira página do capítulo) há um esclarecimento sobre calor, trabalho, energia térmica e energia mecânica, ratificando que calor e trabalho aparecem nos processos de transferência e/ou conversão de energia. Abordam-se as escalas termométricas, as transformações gasosas a partir do funcionamento de uma turbina a vapor, sem enfatizar demasiadamente os
cálculos matemáticos. As Leis da Termodinâmica (1ª e 2ª) são apresentadas dentro desse mesmo capítulo. No volume 3 – capítulo: o estudo do calor e a Termodinâmica – são retomados os conceitos de calor enfatizando a sua evolução conceitual desde a teoria do calórico até o seu entendimento atual e a Primeira Lei da Termodinâmica. Alguns aspectos em relação à escala absoluta Kelvin e as propriedades térmicas dos materiais (capacidade térmica e calor específico) são apontados, além do fenômeno da dilatação térmica e dos processos de transferência de calor. E finalmente, as máquinas térmicas, o ciclo de Carnot e o conceito de Entropia.
Esta obra é a única dentre as analisadas aqui que enfoca um pouco a evolução conceitual, levando-se em conta aspectos da história da ciência.
Figura 21 - Texto referente ao livro F5 (vol. 1), página 67, ano2010. (destaque
nosso).
Os conceitos em F6 são encontrados ao longo dos seis capítulos dedicados a Termodinâmica. Logo no primeiro capítulo já discute o equilíbrio térmico (princípio zero) e o conceito de temperatura. Apresenta o conceito de Energia Interna dentro da abordagem sobre o comportamento térmico dos gases, bem como traz a partir da química, uma discussão sobre o Mol (quantidade de matéria) e sobre o Número de Avogadro. No capítulo dedicado ao calor, seu conceito e sua medida, vê-se uma seção com cinco páginas dedicada a evolução do conceito de calor, fazendo um resgate desde o flogístico, até o equivalente calórico com Joule.A partir do quinto capítulo é que vão ser apresentadas as leis da termodinâmica, levando-se em conta a discussão feita nos capítulos anteriores, não se detendo expressões matemáticas para sustentar o enunciado da Primeira Lei. Do ponto de vista da Segunda
Lei,aborda também como nos livros anteriores, a máquina térmica, o refrigerador, mas amplia a discussão da Segunda Lei, trazendo as contribuições de Clausius e Boltzmann sobre o conceito de entropia numa perspectiva bem mais aprofundada do que os livros anteriores.
Dos seis livros de Física analisados, os quatro primeiros (F1, F2, F3 e F4), têm os seus conceitos prontos e acabados e vinculados as expressões matemáticas que os definem, caracterizando-os como conteúdos físicos isolados e sem significado ao ensino dessa ciência.
A título de exemplo, vejamos o conceito de Energia Interna nos cinco livros: F1- “no caso de um gás real, a energia interna é determinada pelas energias cinéticas, de translação, rotação e vibração das moléculas, energia potencial intermolecular, energia potencial armazenada nas ligações dos elétrons, etc.”.
F2- “a energia interna de um gás ideal é constituída pela energia cinética total de translação de todas as moléculas que constituem o gás”.
F3- “nos gases, a energia é resultante da soma de várias energias, dentre elas as energias de translação, de rotação e de vibração de suas moléculas. Outra parcela dessa energia interna é a das partículas intra-atômicas. Há ainda a energia potencial associada às forças internas conservativas de suas partículas e, por fim, a energia térmica associada à agitação térmica de suas moléculas”.
F4- “é o somatório de vários tipos de energia existente em suas partículas. Consideramos as energias cinética de agitação (ou de translação), potencial de agregação, de ligação, nuclear, enfim, todas as energias existentes em suas moléculas”.
F5- “refere-se à energia armazenada nos átomos e moléculas que compõem
o sistema, sendo a energia térmica, relacionada ao movimento desordenado das
partículas, uma das componentes da energia interna. Também compõe a energia interna as energias envolvidas nas ligações químicas e as energias armazenadas nos núcleos dos atômicos”. (grifo nosso)
Em F2, o conceito é reduzido a um gás ideal, portanto, sem as outras componentes da energia interna. F4, não especifica sistema e tampouco setrata de gás real ou ideal. Apenas a obra F5, esclarece a definição de energia interna situando-a em um sistema termodinâmico e separando as formas de energia de acordo como tipo de interação atômica e/ou molecular. O mesmo se dá em relação a F3, que especifica as formas de energia.
Apresentar conceitos sem retratar e evolução histórica do mesmo, deixa o conteúdo mais longe da realidade do aluno, contribuindo para o distanciamento da disciplina e consequentemente, do seu interesse por ela. A apresentação dos conceitos é muito vinculada às expressões matemáticas, além de serem apresentados acabados, sem muita discussão.
8.4 CATEGORIA 4 – CONTEXTO HISTÓRICO DA TERMODINÂMICA
Contextualizar historicamente a ciência faz parte das competências apresentadas nos documentos legais: “os PCNEM explicitam três conjuntos de competências: comunicar e representar; investigar e compreender;
contextualizar social ou historicamente os conhecimentos.” (PCN+, 2002, p. 15) Baldow e Monteiro Jr. (2010) ao analisarem os conteúdos históricos da termodinâmica em livros didáticos de física, afirmam que:
“o uso da história tem sido negligenciado e, às vezes reduzido a um modo factual, ilustrativo, onde muito dos personagens que tiveram importantes contribuições no seu desenvolvimento se quer são citados e tais feitos se quer são do conhecimento dos professores”(BALDOW e MONTEIRO JR., 2010, p. 3).
Dentro do conjunto de temas e unidades temáticas propostas nos PCN e PCN+ e reiteradas nas OCEM, “afísica térmica pode ser estruturada a partir dos princípios da termodinâmica, associada às máquinas térmicas e a aspectos econômicos e sociais, no contexto da Revolução Industrial” (OCEM, 2006, p. 56).
Assim, descrevemos a seguir alguns dos aspectos do contexto histórico que foram encontrados nos livros analisados.
No livro F1 a presença do contexto histórico ao longo do capítulo é evidenciada em caixa de texto de dimensões 8x17cm – “A Física na história” - com uma foto, pequenas informações biográficas e a importância do trabalho desenvolvido por Julius Robert Von Mayer. Ao introduzir a Segunda Lei da Termodinâmica, é feito um breve histórico sobre a primeira máquina a vapor, de Newcomen, a máquina de Watt, bem como as contribuições de Carnot e Clausius na fundamentação das bases da Segunda Lei da Termodinâmica.
Na Figura 22, observa-se uma citação muito curta, a título de informação apenas, mas destacada pelo nome “A Física na História” sem qualquer ligação com o texto.
Figura 22 - caixa de texto referente ao livro F1, página 112, ano 2010.
Quanto ao livro F2, percebe-se que esta obra não faz nenhuma abordagem histórica, seja biográfica ou em relação a marcos históricos importantes para a consolidação da Termodinâmica enquanto ramo da Física. Limita-se a mostrar três fotografias: Planck, Carnot e Clausius, com as suas respectivas datas de nascimento e morte. Oscientistassão citados, mas os seus trabalhos, suas contribuições para a evolução da ciência, suas repercussões nos meios científicos são ignoradas, deixando uma lacuna em relação ao contexto abordado. A Figura 23 mostra um recorte do livro, onde se vê este aspecto citado.
Figura 23 - Recorte do livro F2, página 85, ano 2005.
Da mesma maneira que em F1 e F2,
F3 carece de informações sobre o contexto
histórico da Termodinâmica. A presença de algumas imagens remete à história: a eolípila de Heron de Alexandria no século I, a primeira máquina a vapor de Newcomen, a máquina de Watt, mas são colocadas de forma isolada, sem conexão com o texto. O autor usa a legenda da imagem para colocar informações históricas, como por exemplo, a que usa para a eolípila (Figura 24).
O contexto histórico apresentado no livro F4 é focado na biografia dos cientistas, seja no corpo do texto ou em caixas de texto, sob um caráter informativo, descreve-se sobre Mayer, Joule, Watt, Clausius e Carnot, com citação de fatos de suas vidas, o momento histórico em que viveram e como chegaram a se dedicar aos estudos sobre o calor, e a contribuição que cada um deixou para o desenvolvimento da Termodinâmica e formulação de suas leis. Também se observam fotografias das antigas máquinas a vapor e das instalações industriais do século XIX, mas somente figurando na condição de acessórios (grandes imagens produzindo um efeito visual),
Figura 24 - imagem referente ao livro F3, página 179, ano 2010.
ficando à descrição do momento histórico limitado a legenda da imagem, sem qualquer reflexão sócio-ético-econômica (Figura 25).
Figura 25 - Imagem referente ao livro F4, página 133, ano 2010.
A abordagem histórica de F5 está diluída ao longo de toda unidade (eixo temático) que trata do tema “energia” no volume 1 da coleção. Já menciona a Revolução Industrial no capítulo I da unidade sobre Energia, no tópico “a energia ao longo da história” (página 18); Especificamente em relação à história da Termodinâmica, no volume 3, ao ser abordado o tema “Máquinas, calor e trabalho”, discute-se a teoria do calórico e sua derrogação, importância da Revolução Industrial no século XVIII, a invenção da máquina a vapor (desde a sua idealização por Heron de Alexandria, no século I, a máquina de Thomas Savery na Inglaterra do século XVII, passando pela máquina de Newcomen até chegar a máquina de Watt) e o seu aperfeiçoamento com os trabalhos de Sadi Carnot e sua contribuição para o desenvolvimento das bases da Termodinâmica. Trata-se, portanto, da única obra, entre as cinco analisadas nesta pesquisa, que aborda o contexto histórico de maneira encadeada e lógica.
O livro F6, conforme já mencionamos, em cada seção “conhecendo um pouco mais...”, aborda um contexto histórico ao final de cada um dos seis capítulos dedicados a Termodinâmica. No primeiro capítulo, apresenta a história dos termômetros, os tipos e seus inventores. No segundo, em os gases e suas leis, mostra o papel de Boyle, Gay-Lussac e Avogadro, no estabelecimento das relações
entre os parâmetros temperatura, pressão e volumes dos gases. No terceiro, explica o percurso da evolução do conceito de calor, sua medida e a experiência de Joule. No quinto capítulo, encontramos a história da máquina térmica, desde a eolípila de Heron de Alexandria até a versão mais aperfeiçoada por Watt. E fechando o capítulo, ou têm-se uma discussão filosófica sobre a morte térmica do universo, rediscutindo os enunciados da Segunda Lei, mas também apresentando uma reflexão sobre a Terceira Lei, que teve uma de suas formulações apresentadas por Nernst, em 1905. Retoma o conceito de entropia, comparando os dois trabalhos feitos nesse campo por Clausius e Boltzmann. E ainda cita as contribuições de Maxwell para a teoria cinética dos gases.Neste livro encontramos uma abordagem histórica bem mais fundamentada e conectada aos conteúdos do que todas os outros livros analisados.
“A revolução industrial constituiu-se, sem dúvida, num dos principais fatores externalistas para o desenvolvimento da física e, em particular, da termodinâmica nos séculos XVIII e XIX” (Baldow e Monteiro Jr., 2010; p. 4).
Entretanto, todo esse contexto histórico apontado pelos referidos autores, permanece como um potencial ainda não aproveitado nos livros didáticos, que ignorando as pesquisas nesse campo do ensino, abordam os conteúdos fora da realidade do aluno, usando apenas pequenas inserções em caixas de texto, por exemplo, que não ajudam, mas servem para melhorar a apresentação da obra, “maquiando” a escrita conforme as novas orientações para o ensino médio no Brasil. Pode-se dizer que a Revolução Industrial é ignorada nas obras analisadas, a não ser por uma imagem, uma citação de data, excetuando-se F5 e F6, que valorizam esses aspectos.
São significativas as diferenças entre as obras F1, F2, F3 e F4 em relação às obras F5 e F6 quanto à abordagem do contexto histórico. Citar dados históricos de acontecimentos, biografias sintéticas de cientistas seguidas de suas respectivas fotografias, não se configura como um caráter integrador, englobando outros aspectos, como os sociais e econômicos. Enquanto F5 dilui essas informações ao longo de uma grande unidade temática, as outras quatro obras reduzem as informações a caixas de texto. Este tipo de apresentação do contexto histórico em livros de Física foi estudado em livros de Física aprovados pelo PNLEM 2008 por Dominguini (2011), ao analisar questões históricas na evolução dos conteúdos de Física Moderna presente nessas obras, afirmando que:
“um estudo do contexto histórico não significa simplesmente o estudo de biografias de grandes cientistas, mas de todo processo de produção, engendrados em determinado momento político, econômico e social do ser humano” (DOMINGUINI, 2011, p. 23).
E ainda:
”Assim, a abordagem histórica deve apresentar a história das ideias e não a história dos homens, pois somente ela é capaz de nos esclarecer as reais condições de produção do conhecimento”(DOMINGUINI, 2011, p. 24).
Um exemplo disso é visto nas figuras de imagens de Carnot (Figura 23) em F2 e Von Mayer (Figura22) em F1, que estão fora de uma realidade político- econômico-social e também cronológica, impossibilitando perceber a evolução das ideias em que eles foram os seus protagonistas. Pádua (2009) faz uma apresentação cronológica mostrando o quanto os conceitos termodinâmicos evoluíram de 1798, com os experimentos do conde Rumford (Benjamin Thompson), cujas reflexões sobre o aquecimento que uma broca provocava ao perfurar os canhões (atrito entre superfícies metálicas), forneceram elementos que culminaram com a extinção da teoria do calórico; os estudos de Carnot em 1824, embora ainda em conflito com a teoria do calórico e o calor como resultado do movimento de partículas, abriu caminho para o segundo princípio da Termodinâmica; em 1842- 1843, Mayer propôs que o calor, assim como o trabalho, são manifestações da energia, relacionando-os e estabelecendo um equivalente mecânico entre eles; mas foi com Joule, em 1845, que esse equivalente mecânico do calor foi mais bem determinado. Portanto, em 47 anos, tivemos mudanças consideráveis no campo conceitual que poderiam ser abordadas historicamente para melhor compreensão da realidade, numa visão mais integrada da ciência, conforme propostonos documentos