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ENSINO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR NOS CURSOS DE ENGENHARIA – UMA ABORDAGEM INOVATIVA
João Carlos Martins Coelho – jcmcoelho@maua.br Escola de Engenharia Mauá Praça Mauá, 1 CEP: 09580-900 – São Caetano do Sul – São Paulo Marco Antonio Soares de Paiva – marco.paiva@maua.br Alex Huerta – alexsh@maua.br Resumo: O tópico de transferência de calor e massa integra a grade curricular de uma extensa gama de cursos de engenharia, quer em disciplinas com esta própria denominação, quer em outras, que englobem o assunto. Seu aprendizado exige conhecimentos de cálculo, capacidade para entendimento de fenômenos físicos e para desenvolvimento de raciocínio abstrato. É um dos principais assuntos do dia a dia da engenharia e há forte correlação entre a teoria vista no curso de graduação e a prática na vida profissional de alguns setores da engenharia, em que se requer o projeto e a operação de equipamentos e instalações. Embora esteja atualmente disponível grande quantidade de material didático, observa-se que o conteúdo da literatura extrapola os requisitos médios de muitos cursos de engenharia. Dessa forma, há de certa forma uma demanda de aprimoramento pedagógico no tema, em que sejam apresentados conceitos de forma objetiva, acessível ao aluno e com o rigor necessário à solução dos problemas tradicionais da engenharia básica. Este trabalho propõe uma metodologia de apresentação da transferência de calor e massa voltada para cursos de graduação de engenharia. Toma como referência o tópico da equação geral de condução de calor. A metodologia baseia-se na utilização de transparências encadeadas e estruturadas que aproximam o aluno da essência do conteúdo programático. Tal metodologia tem se mostrado eficaz, tornando o aprendizado mais atrativo e produzindo adicionalmente a desmistificação de que o assunto seja de difícil compreensão. Palavras-chave: transmissão de calor, equação da condução, didática, aprendizado
1. INTRODUÇÃO
O ensino e o aprendizado da disciplina tradicionalmente denominada transferência de calor apresenta um conjunto amplo de dificuldades, embora uma grande quantidade de material didático de excelente qualidade esteja disponível. Dentre as obras tradicionalmente utilizadas no Brasil tem-se, por exemplo, KREITH & BONHN (2003), ÇENGEL (2009), INCROPERA & DEWITT (2008). Todas estas referências têm a característica de abordarem o assunto de forma ampla, buscando cobrir todos os aspectos que possam ser considerados pelos professores ao prepararem e ministrarem seus cursos. A extensão por vezes exagerada do assunto abordado evoca questionamentos sobre se essa opção é a melhor para os professores, os alunos, ou para a comunidade produtiva. Sabe-se que alguns dos limitantes tradicionais ao aprendizado são: o tempo disponível pelo aluno para se dedicar ao estudo, a limitada capacidade de o aluno médio ler textos longos, compreendê-los e absorver o seu
conteúdo, os conhecimentos matemáticos requeridos para o conhecimento e aplicação dos conceitos aprendidos e a dificuldade atual de uma parte considerável dos alunos se concentrarem em textos por longos períodos em sua busca de conhecimento. Neste contexto, os materiais didáticos extremamente amplos não são, muitas vezes, considerados bons do ponto de vista do aluno que, por motivos vários, não consegue utilizá-los adequadamente. Assim, verifica-se a necessidade pedagógica de buscar uma efetiva aproximação entre o aluno e a disciplina ora em foco (considerada árida por muitos) por meio de apresentações claras e concisas, e que possam se constituir em material de consulta rápida. Esta característica permite o estudo extraclasse sem a participação direta do professor e pode, paralelamente, estimular o uso dos livros textos, uma vez que o material nestes apresentados fica agora de mais fácil compreensão.
2. ABORDAGEM INICIAL AO APRENDIZADO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
O ensino de transferência de calor deve se dar, preferencialmente, após o aluno ter cursado a disciplina de Termodinâmica. Nesta disciplina fica claramente estabelecido que o termo calor se refere a uma interação entre dois sistemas com temperaturas diferentes e que se constitui, juntamente com o trabalho, em um mecanismo de transferência de energia. Além disso, fica também claramente conceituado no curso de termodinâmica que calor não é algo que possa ser “transferido”. Ou seja, ao estudar termodinâmica, o aluno deve ter consolidado o conceito de que ao observar a grandeza calor, o que se observa efetivamente é o transporte de energia através de uma fronteira devido à existência de uma diferença de temperaturas. Assim, depara-se inicialmente com a dificuldade conceitual de esclarecer que será estudada a transferência de algo que não pode ser transferido. Um meio que contribui para melhorar a compreensão é declarar inicialmente que o objetivo do curso é estudar processos de “transferência de energia por calor” deixando absolutamente clara a importância da palavra energia.
Entende-se, também, que existe a necessidade fundamental de esclarecer, no início do curso, que o estudo da transferência de calor está profundamente associado ao termo calor - ou taxa de calor - presentes nas formulações matemáticas da primeira lei da termodinâmica. Essa evocação tem o objetivo de destacar como os conceitos já aprendidos se entrelaçam com aqueles a serem agora apresentados.
Paralelamente, deve ser observado que o uso de material muito abrangente pode criar dificuldades adicionais para o aprendizado que, aliadas àquelas naturalmente inerentes ao assunto de transferência de energia por calor, têm causado ao longo do tempo uma mistificação da disciplina que, por si só, introduz barreiras adicionais ao aprendizado.
Neste contexto, lembrando que o conceito de livro impresso remonta ao período pré-digital, verifica-se a necessidade de criação de mecanismos e abordagens didáticas que sobrepujem as barreiras tradicionais, proporcionando maior efetividade no ensino da disciplina.
3. O USO DE APRESENTAÇÕES EM POWERPOINT
O uso de apresentações em PPT apresenta como vantagem fundamental dispor-se de material didático organizado e sistematizado que pode e deve ser colocado à disposição do aluno, na forma digital, previamente à sua abordagem em aula. Isso permite que o aluno tenha o material impresso em papel ou armazenado digitalmente, por exemplo em tablets, para acompanhamento da aula e para o registro e anotações específicas. Quando preparada adequadamente, a transparência deve se transformar em material de apoio ao estudo e que, pela sua simplicidade e densidade, faz referência a uma grande quantidade de informações, as quais, quando complementadas com notas adicionadas pelo aluno, torna-se vetor de
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Ma
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o
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recedida o ou de
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mostrarconduçãcompor
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ma para cálcu
dade da soor. O aluno
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dução em co
– Solução d
contraposiçsentir escl
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m uma das fmediatamente
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no que é aface da place caminho
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o – caso 1
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no do uso de
geral de mbora o s.
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4.3. A e
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A Fum exempor objequestão possibilrelembr
OutrealidadobservaprocessoNaturalmressaltad
F
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de do engeados industos industriamente, proda.
Figura 9 – A
de exemplo
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sso a ser daresolvido é
de criar a ligengenharia. o, o exempda sua soluuno com a da Figura 11l. Elas foramimar o alunnas duas tr
voltar a qussunto especconsideradnheiro, utiltrialmente, ais nos quaiopõe-se qu
Analogia res
os
e tradicio conhecim
culdade é, ppara a apl
ado para desé a sua apligação entre o
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do importanlizando valpermitindo
s um forno e a correl
sistência tér
onal que semento usualpor exemplolicação na
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ência elétric
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professor reforma a c
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facultada a eara dirimir
e refere a uequipamentexemplo,
cas gerais poa seja sem
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as à apresenonceitos queque o enunele e ao proalguma dú
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genharia a a sua a no uso
a dia do
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ongo do talecer a
ntação de e tenham ciado da ofessor a úvida ou
ndustrial, dem ser rência a utilizado. possível
Bus
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A Fcompletprático utilizada
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blema na quínimo de q
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aria, em que
didático-pedsolução quea primeira
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qualidade. Erealizar estsob análise
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inicial - A
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ências são dum método problema e
roposta umaroquis do oestimular e
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ompletando em de um ferramenta p
divididas calcado
registro
a análise objeto de esta ação ndimento de dados
o corpo exemplo principal
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AgrOs
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radecimentautores a
olvimento d
RÊNCIAS B
EL,Y.A. Tra09. 902 p.
OPERA, F.P008. 698 p.
H, F.; BONa Thomson,
ÇÕES FINA
aprendizadoos, separandecimentos quoi propostaatrativo pefortemente
um caminhnos as transel, contribu
tos gradecem
das técnicas
BIBLIOGR
ansferência
P.; DEWITT.
NHN M. S, 2003. 623
Figura 11
AIS
o do assuntodo o estudanue deveriama uma aborlo fato de tcalcada noo adequadsparências dindo també
ao Institutpropostas e
RÁFICAS
de Calor e
T, D.P. Fun
S. Principiop.
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Editora
HEAT AND MASS TRANSFER TEACHING IN UNDERGRADUATE
ENGINEERING COURSES - CHALLENGES AND NEW APPROACHES
Abstract: the topic of Mass and Heat Transfer integrates the curriculum of a wide range of engineering courses, either in disciplines with this particular name, or in others, which cover this matter. Its learning requires knowledge in calculus, the capability to understand physical phenomena and to develop abstract reasoning. It is one of the main issues of the daily engineering practices, and there is strong correlation between the theory students learn in the undergraduate course, and its practical application, professionally, in some fields of engineering in which it is required to project and operate equipment and installations. Although there is a considerable amount of supporting material available, it is noticeable that the content of the literature exceeds the average requirements of many engineering courses. Thus, there is a demand to improve the mentioned topic, pedagogically, in a way so that the concepts are presented objectively, easily accessible to the students and with the strength necessary to solve traditional engineering problems. This paper proposes a methodology to present the subject of mass and heat transfer oriented to undergraduate engineering courses, taking as reference the topic of the general equation of heat conduction. The methodology is based on the use of slides, which are chained and structured with the objective of taking the students closer to the essence of the course curriculum. Such methodology has been proven effective, making the learning process more attractive and also demystifying that this issue is difficult to understand.
Keywords: mass and heat transfer, conduction equation, learning improvement, heat
transfer slides