Obstáculos Epistemológicos nas Leis da Termodinâmica, Notas de estudo de Biomedicina

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Módulo de Ensino Inovador

Termodinâmica

Wandersson Ferreira Saraiva

Apresentação

Este trabalho visa oferecer uma proposta

de discussão e formulação das 2 (primeiras)

leis da termodinâmica, buscando trabalhar,

através da história da ciência, os diversos

obstáculos epistemológicos envolvidos na

compreensão desses conceitos, bem como,

ao estender a abordagem a uma introdução

aos fenômenos fora do equilíbrio, articular

os conceitos envolvidos com outras áreas

do conhecimento, em particular, a biologia.

Introdução (2)

Este módulo de ensino visa discutir com os

estudantes as 2 leis da termodinâmica assim como

conceitos conjugados: calor, trabalho, energia,

(ir)reversibilidade e equilíbrio. Trata-se de conceitos

que, além de serem essenciais para todas as áreas da

física, estão presentes no arcabouço cultural de nossa

sociedade (basta ver os múltiplos usos do termo

energia e do crescente interesse pelo tema da auto-

organização por parte de não-cientistas) e são

extremamente relevantes em diversos âmbitos da vida

cotidiana: política energética, funcionamento de

aparelhos domésticos, dietas alimentares, etc.

Introdução (3)

O amplo uso da história da ciência neste módulo tem os seguintes

objetivos: (a) fornecer uma visão de ciência dinâmica que, longe de

corresponder à Verdade, é uma atividade de criação humana, não

desvinculada da dinâmica mais geral da sociedade, possuindo relações

com a sua estrutura político-econômica e com a evolução geral das idéias

filosóficas, artísticas e teológicas; (b) ao mostrar as polêmicas que deram

origem às teorias científicas, contribuir para explicitar os obstáculos

epistemológicos e concepções alternativas presentes na visão de mundo

dos estudantes. Além disso, como conseqüência da proposta de utilizar a

história da ciência, alguns outros aspectos inesperados se fazem sentir:

(a) ao trabalhar com a leitura de textos originais científicos, este módulo

contribuirá para o desenvolvimento dessa habilidade de leitura, que não

costuma ser desenvolvida nem nas aulas de português (porque lá, em

geral, os textos não são científicos) nem nas disciplinas científicas (porque

nessas se lê muito pouco); (b) a abordagem histórica é necessariamente

integrada, ou seja, diversos temas aparentemente desvinculados das duas

leis da termodinâmica acabam sendo abordados pelos próprios textos

científicos, evitando assim a construção de um conhecimento

demasiadamente fragmentado e morto (construído artificialmente para fins

didáticos).

Introdução (5)

A inclusão de uma introdução aos sistemas

(que permanecem) fora do equilíbrio - raramente

tratado até mesmo em nossos cursos de

graduação - visa oferecer aos estudantes um

panorama de questões discutidas atualmente,

fornecendo insights que permitam conexões

entre os conhecimentos aqui abordados e outras

áreas do conhecimento, científicas ou não.

Utilizando a distinção de Bachelard entre o

pensador noturno e diurno, esta última etapa do

módulo estaria mais próxima do entardecer.

Informações úteis

• Público alvo: alunos de terceiro colegial (

anos);

• Conhecimentos prévios esperados:

conhecimento das leis de Newton, alguma

noção relacionada à conservação da energia;

• Número de aulas: oito aulas de uma hora de

duração;

• Conteúdo Físico: Primeira e segunda leis da

termodinâmica;

Aula 1: Aspectos filosóficos da conservação da energia. Tema da aula: problematização da conservação da energia através da polêmica Clarke - Leibniz a respeito da posição Newtoniana de que Deus precisa reformar o mundo de tempos em tempos para evitar que ele colapse. Objetivos: (1) desconstruir, mostrando um lado menos conhecido da contribuição científica de Newton, a figura do cientista como pessoa totalmente objetiva, avessa a debates filosóficos ou teológicos, trabalhando única e exclusivamente a partir "dos fatos"; (2) mostrar o debate científico / filosófico por trás de uma questão aparentemente teológica; (3) mostrar as relações entre ciência e poder, explícitas em comparações entre Deus e "um Rei"; Motivação: a física é vista freqüentemente como não tendo nenhuma conexão com as demais áreas do conhecimento e a existência humana. Essa aula visa modificar essa visão da ciência. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. Recursos: Saliva, giz, lousa. Material didático: textos de Clarke e Leibniz. momentos da aula: (1) discussão com a sala pedindo que eles respondam à seguinte pergunta: "Se a energia se conserva, por que é que precisamos economizar energia? (10 min) (2) divisão da sala em grupos para que cada grupo leia e discuta o texto abaixo reproduzido, tentando responder a algumas questões; (30 min) (3) discussão com a sala a respeito das respostas que os grupos formularam (20 min).

Aula 2: contestações à

conservação da energia

Tema da aula: argumentos que, pensando a natureza como composta de partículas, podem ser utilizados contra a conservação da energia e em defesa da irreversibilidade (dissipação da energia). Objetivos: (1) Dar elementos que façam com que, por um lado, para convencer-se da conservação da energia, os estudantes tenham que modificar sua visão sobre como se dá a interação e os choques (interação elástica à distância) e, por outro, ao se convencerem da conservação da energia, percebam que argumentos anteriormente utilizados contra esse princípio podem ser úteis na compreensão da segunda lei da termodinâmica (relativos à dissipação da energia sobre os diversos graus de liberdade existentes); (2) discutir a questão da criação e (necessidade ou não de) manutenção do mundo, que aparecem historicamente ligadas à questão da conservação da energia e introduzem o debate sobre transformações irreversíveis, pensadas nesse momento como opostas à conservação da energia; Motivação: a conservação da energia entra em aparente contradição com a maioria das experiências do cotidiano. A conseqüência é uma separação, na cabeça do estudante, entre o universo da sala de aula, no qual vale a conservação da energia, e o mundo real, onde ela não vale. Essa aula visa debater essas questões, tentando unificar esses dois mundos. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. (pré-requisito: leis de Newton) Recursos: Saliva, giz, lousa. Material didático : textos de Newton. Momentos da aula: (1) Divisão da sala em grupos para ler o texto abaixo reproduzido e resumí-lo (30 min); (2) Discussão do texto (30 min)

Bloco 2: Formalização das 2 leis da termodinâmica.

Aula 4: Conversão da Energia

tema da aula: experiências de conversibilidade entre formas de energia. objetivos: Mostrar e discutir exemplos de conversão de energia através de experimentos didáticos. motivação: a idéia de conservação da energia é um dos pilares da física (seja clássica ou moderna) e a conversão entre as diversas formas de energia é, além de importante para auxiliar a compreensão da primeira lei da termodinâmica, fundamental para o entendimento de questões cotidianas, desde política energética até o funcionamento de eletrodomésticos. conteúdo físico: Primeira lei da termodinâmica. recursos: Saliva, giz, lousa. material didático: experimentos do site do prof. Luiz Ferraz Netto momentos da aula: (1) divisão da sala em grupos para realização das experiências (20 min); (2) cada grupo demonstra a experiência aos demais e procura explicá-la (40 min).

Bloco 3: Sistemas que permanecem fora do equilíbrio

Aula 7: Equilíbrio

Tema da aula: aprofundamento da idéia de equilíbrio e os limites implícitos da segunda segunda lei Objetivos: precisar a idéia de equilíbrio macroscópico, introduzindo o conceito de equilíbrio dinâmico. Analisar o equilíbrio de concentrações químicas em uma célula biológica para explicitar a validade da segunda lei apenas para sistemas isolados Motivação: a noção de equilíbrio e de que a termodinâmica (de equilíbrio) tem validade apenas em situações específicas ilustra que as teorias físicas têm limitações e prepara os estudantes para a compreensão (por um viés físico) de problemas relativos a fenômenos fora do equilíbrio como problemas tipicamente interpretados como pertencentes à biologia. Conteúdo físico: Primeira e Segunda leis da termodinâmica. Recursos: Saliva, giz, losa e "aquário de difusão". Material didático: Texto sobre canais iônicos e concetrações químicas em uma célula animal. Momentos da aula: (1) "Aquário de difusão" (em um aquário cheio de água derramar uma colher de algum corante, p.e. anilina) e posterior discussão sobre quando que o sistema água-corante está em equilíbrio (15 min); (2) Divisão da sala em grupos para leitura de texto (reproduzido abaixo) e resposta de perguntas (15 min); (3) Discussão das respostas e exposição em lousa da bomba de Na-K e seu papel (10 min); (4) Discussão sobre o isolamento ou não do sistema em questão (20 min).

Referências

[1] KOYRÉ, Alexandre. Do mundo Fechado ao Universo Infinito. Forense

Universitária, 2001.

[2] BRUSH, Stephen G. The kind of motion we call heat, v. 2. Elsevier Science

Publishers, 1992.

[3] BRECHT, Bertold. A vida de Galileu.

[4] ATLAN, Henri. Entre o Cristal e a Fumaça: Ensaio sobre a organização do

ser vivo. Jorge Kahar Ed., 1992.

[5] NUSSENZVEIG, Moysés H. Curso de Física Básica, v. 2. Edgard Blücher,

[6] SALINAS, Sílvio R. A. Introdução à Física Estatística. Edusp, 1999.

[7] KANDEL, Eric R., SCHWARTZ, James H., JESSEL, Thomas M.

Fundamentos da Neurociência e do Comportamento. Guanabara Koogan,

[8] BERNARDES, Newton. Ordem e desordem: uma avaliação crítica da

situação. Ci e Cult., 40 (5): 473-477, 1988

[9] DEBRUN, Michel. Por que, quando e como é possível falar em auto-

organização? In.:DEBRUN, Michel., GONZALES, M. E. Q., PESSOA Jr., O.

(org.) Auto-organização. Coleção CLE, 18: xxxiii-xliii, 1996.