http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=14397 dia 07 de maio de 2011-05-07

http://www.eletronuclear.gov.br/tecnologia/index.php?idSecao=2&idCategoria=19

http://www.eletronuclear.gov.br/downloads/19/509.pdf

http://www.eletronuclear.gov.br/downloads/19/509.pdf

http://web.ccead.puc-rio.br/condigital/mvsl/Sala%20de%20Leitura/conteudos/A_primeira_lei_termodinamica.pdf

1° lei da termodinâmica

Dados da Aula

O que o aluno poderá aprender com esta aula

Entender a diferença entre energia interna (U), trabalho (τ) e calor (Q). Saber o que é uma máquina térmica e saber aplicar o Princípio da Conservação da Energia (ou 1a Lei da Termodinâmica) a essa máquina térmica.

Duração das atividades

Uma aula de 50 minutos.

Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

Temperatura na escala Celsius e Absoluta (ou Kelvin), estados físicos da matéria, calor, pressão, volume, Lei de Boyle, Lei de Charles, Lei de Charles/Gay-Lussac e gases perfeitos.

Temperatura na escala Celsius e Absoluta (ou Kelvin), estados físicos da matéria, calor, pressão, volume, Lei de Boyle, Lei de Charles, Lei de Charles/Gay-Lussac e gases perfeitos.

Estratégias e recursos da aula

Comece, antes de qualquer explicação, apresentando para os alunos um dispositivo muito simples chamado Máquina de Heron. Esse dispositivo pode ser facilmente construído pelo próprio professor em sua casa e levado para sala de aula.

O roteiro completo para construção da máquina, usando-se materiais de baixíssimo custo, encontra-se em: http://www.fisicalegal.org/Resources/Heron/heron.html.

A Figura 1 representa a máquina após montada. A Figura 2 representa uma Máquina de Heron mais sofistica e fixada em um dispositivo que torna simples seu manuseio. Após

montada a sua máquina, fixe-a tal qual mostrado na Figura 2 deixando espaço para a vela abaixo dela, de modo que a chama entre em contato com o bulbo da lâmpada.

Figura 1 – Máquina de Heron construída pelo professor.

(Fonte:http://www.fisicalegal.org/Resources/Heron/montado.gif)

Figura 2 – Máquina de Heron mais sofisticada.

(Fonte:http://2.bp.blogspot.com/_EkoDqsYpQ0s/So01aBFCqwI/AAAAAAAAAF8/2g053XQ1qD0/s1600-h/DSC_0027.JPG)

Coloque pouca água na lâmpada e ascenda a vela. Diga para eles que esta é umas das máquinas térmicas mais simples e mais antiga que existe. Espere o início do movimento (giro) e faça para os alunos a seguinte sequência de perguntas, uma de cada vez, sempre ouvindo as respostas e discutindo a melhor delas com eles. Se nenhum aluno der a resposta certa para alguma das perguntas, dê você mesmo a resposta e depois a discuta com eles:

1) porque a máquina gira somente para um lado?

2) segundo as Leis de Newton, aprendidas na 1a série, qual o princípio que faz a máquina girar?

3) levando-se agora em consideração a teoria sobre gases perfeitos, o que faz a máquina girar?

Após essa discussão, comece então a parte teórica da aula, apresentando os conceitos de energia interna (U), trabalho (τ) e calor (Q).

Para a energia interna U, mostre a fórmula U = ( 3nRT)/2, e deixe claro que U varia de maneira direta com a temperatura (T). Diga então que, fisicamente falando, quando a chama da vela entrou em contato com o bulbo da lâmpada, que continha água, está água esquentou (recebeu um calor Q) que fez aumentar a energia interna U do sistema (energia de translação das partículas de água). A água transformou-se então em vapor, que aumentou a pressão interna do bulbo, procurando um caminho de saída (pelos tubos). Ao sair, realizou um trabalho τ (provocando o giro do sistema).

Deixe claro que a variação da energia interna de um sistema (ΔU) pode ser positiva (ΔU > 0) ou negativa (ΔU < 0), ou seja, pode-se fornecer energia térmica para um sistema e aumentar sua energia interna (que é o que foi feito para a Máquina de Heron), mas pode-se também retirar energia térmica de um sistema (resfriá-lo) e diminuir assim sua energia interna, que é o que vai acontecer quando se retirar a vela debaixo do bulbo.

Pergunte agora para os alunos se eles conseguem estabelecer, mesmo que de maneira imprecisa, a relação que existe entre essas três variáveis, U, τ e Q. Diga para eles levarem em consideração a observação que fizeram sobre o funcionamento da Máquina de Heron.

Se algum aluno acertar enuncie a 1a Lei da Termodinâmica com base na sua resposta. Se não, enuncie assim mesmo a 1a Lei da Termodinâmica e a explique tendo como base a observação que fizeram sobre o funcionamento da Máquina de Heron.

Mostre ao final a equação que relaciona as três variáveis: ΔU = Q - τgás.

Deixe claro agora para eles que esta 1a Lei nada mais é que a aplicação do velho e conhecido Princípio da Conservação da Energia aplicado à Termodinâmica.

Dê vários exemplos de outras máquinas térmicas existentes como a locomotiva e o barco a vapor, o motor de um automóvel, uma usina nuclear ou termoelétrica.

Termine explicando o funcionamento da usina nuclear e mostre que ela nada mais é que uma Máquina de Heron um pouco diferente e sofistica, onde o vapor faz as pás de uma turbina geradora de energia elétrica girarem para geração de eletricidade. Este esquema pode ser visto animadamente em http://www.eletronuclear.gov.br/tecnologia/index.php?idSecao=2&idCategoria=19, ou, se não for possível levar os alunos até um computador, o esquema pode ser explicado pelo professor usando-se a Figura 3 abaixo.

Figura 3 - Esquema básico de uma usina nuclear.

(Fonte: http://www.projectpioneer.com/mars/images/angra.gif)

Máquina de Heron

Máquinas térmicas

Recursos Educacionais

Nome Tipo

Recursos Complementares

Aprenda mais sobre a 1a Lei da Termodinâmica:

WikiLivros: http://pt.wikibooks.org/wiki/Curso_de_termodin%C3%A2mica/Primeira_lei_da_termodin%C3%A2mica

InfoEscola: http://www.infoescola.com/fisica/primeira-lei-da-termodinamica/

ColaDaWeb: http://www.coladaweb.com/fisica/termologia/termodinamica

Alkimia: http://alkimia.tripod.com/cientificos/1_lei.htm

NEWTON, V.B; HELOU, R.D.; GUALTER, J.B. Tópicos de Física 2 – Termologia, Ondulatória e Óptica. São Paulo: Editora Saraiva, Vol. 2, 448p., 18a Ed., 2007.

Avaliação

Elabore questões teóricas e práticas sobre esse assunto. Nas questões teóricas explore os conceitos de calor, pressão, volume e temperatura que explicam o funcionamento das máquinas térmicas. Nas questões práticas faça os alunos realizarem cálculos que envolvam a equação que explica matematicamente a 1a Lei: ΔU = Q - τgás.

Energia nuclear

 

O que é?

Os átomos de alguns elementos químicos apresentam a propriedade de, através de reações nucleares, transformar massa em energia. Esse princípio foi demonstrado por Albert Einstein. O processo ocorre espontaneamente em alguns elementos, porém em outros precisa ser provocado através de técnicas específicas.

Existem duas formas de aproveitar essa energia para a produção de eletricidade: A fissão nuclear, onde o núcleo atômico se divide em duas ou mais partículas, e a fusão nuclear, na qual dois ou mais núcleos se unem para produzir um novo elemento.

A fissão do átomo de urânio é a principal técnica empregada para a geração de eletricidade em usinas nucleares. É usada em mais de 400 centrais nucleares em todo o

mundo, principalmente em países como a França, Japão, Estados Unidos, Alemanha, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coréia do Sul, Paquistão e Índia, entre outros.

Hoje, 17% da energia elétrica no mundo, é gerada através de fonte nuclear e este percentual tende a crescer com a construção de novas usinas, principalmente nos países em desenvolvimento (China, Índia, etc.). Os Estados Unidos, que possuem o maior parque nuclear do planeta, com 103 usinas em operação, estão ampliando a capacidade de geração e aumentando a vida útil de várias de suas centrais. França, com 58 reatores, e Japão, com 56, tambem são grandes produtores de energia nuclear, seguidos por Rússia(31) e Coréia do Sul (20).

A maior vantagem ambiental da geração elétrica através de usinas nucleares é a não utilização de combustíveis fósseis, evitando o lançamento na atmosfera dos gases responsáveis pelo aumento do aquecimento global e outros produtos tóxicos. Usinas nucleares ocupam áreas relativamente pequenas, podem ser instaladas próximas aos centros consumidores e não dependem de fatores climáticos (chuva, vento, etc.) para o seu funcionamento.

Além disso, o urânio utilizado em usinas nucleares é um combustível de baixo custo, uma vez que as quantidades mundiais exploráveis são muito grandes e não oferecem risco de escassez em médio prazo. Pesquisas de opinião realizadas na Europa, nos Estados Unidos e na Ásia demonstram que a população aceita a construção de novas usinas nucleares e a substituição de plantas antigas por novas. Ambientalistas prestigiados como James Lovelock (autor da “Teoria de Gaia”) e e Patrick Moore (fundador do Green Peace) são unânimes em declarar que não se pode abdicar da energia nuclear se pretendemos reduzir os riscos do aquecimento global e de todos os problemas relacionados a ele.

Como funciona uma usina nuclear?

A fissão dos átomos de urânio dentro das varetas do elemento combustível aquece a água que passa pelo reator a uma temperatura de 320 graus Celsius. Para que não entre em ebulição – o que ocorreria normalmente aos 100 graus Celsius -, esta água é mantida sob uma pressão 157 vezes maior que a pressão atmosférica. O gerador de vapor realiza uma troca de calor entre as águas deste primeiro circuito e a do circuito secundário, que são independentes entre si. Com essa troca de calor, a água do circuito secundário se transforma em vapor e movimenta a turbina - a uma velocidade de 1.800 rpm - que, por sua vez, aciona o gerador elétrico.Esse vapor, depois de mover a turbina, passa por um condensador, onde é refrigerado pela água do mar, trazida por um terceiro circuito independente. A existência desses três circuitos impede o contato da água que passa pelo reator com as demais. Uma usina nuclear oferece elevado grau de proteção, pois funciona com sistemas de segurança redundantes e independentes (quando somente um é necessário).

Defesa em Profundidade

É um conceito de projeto que envolve a criação de sucessivas barreiras físicas que mantêm a radiação sob total controle.

1 – As pastilhas de dióxido de urânio possuem uma estrutura molecular que retém a maior parte dos produtos gerados na fissão.2 – As varetas que contêm as pastilhas são seladas e fabricadas com uma liga metálica especial.3 – O vaso do reator funciona como uma barreira estanque. 4 – A blindagem radiológica permite que os trabalhadores possam acessar áreas próximas ao reator.5 – O envoltório de aço especial, com 3 centímetros de espessura, é projetado para resistir ao mais sério acidente. 6 – O envoltório de concreto, com 70 centímetros de espessura, conterá qualquer material caso as demais barreiras falhem.

SAIBA MAIS:

Energia Nuclear www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf História da Energia Nuclearww.cnen.gov.br/ensino/apostilaws/historia.pdf Outras Aplicações Nucleares www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/aplica.pdf Radioatividade www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/radio.pdf radioatividade Radiações Ionizantes www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/rad_ion.pdf rad ioniz

Panorama da Energia Nuclear - Outubro 2009 Data de atualização: 11/2009 Baixar arquivo PDF ( 1.35 MB )