The value of freedom

Nessa seção serão apresentados e brevemente discutidos os dados da literatura relacionados às ideias dos estudantes sobre o conteúdo de Termodinâmica / Termoquímica. Faz-se essa opção por se acreditar que as concepções dos estudantes podem trazer importantes reflexões para o ensino dos conceitos relativos aos processos endotérmicos e exotérmicos, um dos eixos de discussão que perpassa a proposta a ser analisada nesta pesquisa.

Alguns trabalhos que consideram os aspectos energéticos das transformações químicas apontam para as dificuldades que os estudantes do nível médio apresentam em relação à aprendizagem do conceito de energia e seus correlatos, como calor, temperatura e energia de ligação (Bliss & Ogborn, 1985; Boo, 1998; Cohen & Ben-Zvi, 1992; Griffiths & Preston, 1992; Hapkiewicz, 1991; Mortimer & Amaral, 1998; Mulford & Robinson, 2002; Ogborn, 1990; Teichert & Stacy, 2002).

Nessa mesma linha, outros trabalhos apontam para as dificuldades dos estudantes no entendimento de conceitos Termodinâmicos/Termoquímicos, a partir de investigações realizadas em disciplinas específicas dos cursos de Engenharia e de Química. Dentre as pesquisas realizadas no contexto universitário, destacam-se: Banerjee (1995); Carson e Watson (1999; 2002); Hadfield e Wieman (2010); Liu, Ebenezer e Fraser (2002); Pathare e Pradhan (2010); Sözbilir e Bennett (2007); Sözbilir, Pýnarbapý e Nurtaç (2010); Sreenivasulu e Subramaniam (2013). Tais trabalhos apontam para as dificuldades no entendimento de conceitos relacionados a Entropia de um sistema, Energia Interna, Energia Livre de Gibbs, conservação/conversão de energia, dentre outros conteúdos e grandezas matemáticas correlacionadas a essa temática. Cabe destacar ainda o trabalho de Bain, Moon, Mack e Towns (2014), que apresenta uma importante revisão de pesquisas sobre o ensino e a aprendizagem da Termodinâmica em nível universitário, buscando discutir lacunas existentes na literatura, de modo a apontar para a necessidade de pesquisas futuras sobre temáticas relacionadas a esse conteúdo.

Há também pesquisas realizadas com o objetivo de favorecer aos estudantes uma melhor compreensão das noções fundamentais de energia, a partir de suas concepções iniciais, com destaque para: Trumper (1991); Henrique (1996); Pérez- Landazábal, Favieres, Manrique e Varela (1995); Solomon (1985). Esses trabalhos chegaram a resultados similares com relação às concepções de energia presentes no senso comum, associando-as: (i) à causa ou produto de um processo; (ii) às atividades humanas (relações antropocêntricas); (iii) ao movimento (energia cinética); e (iv) à força ou fonte geradora de alguma força. Além desses trabalhos, Souza Filho (1987) sintetiza outras características intuitivas verificadas em estudantes do Ensino Fundamental e Médio que se relacionam ao conceito de energia: (i) é algo presente em todos os fenômenos que ocorrem na natureza e com o homem; (ii) é algo em potencial nos objetos (energia potencial); (iii) é como uma substância; (iv) é algo que se perde e se adquire; e (v) pode se apresentar de diferentes maneiras (como energia gravitacional, elétrica, magnética, luminosa, sonora, nuclear, térmica, química etc.).

Além dessas pesquisas, a literatura internacional apresenta outras publicações que ajudam a reforçar a relevância da referida temática de estudo para a aprendizagem das Ciências em diferentes níveis de ensino: Cotignola, Bordogna, Punte e Cappannini (2002), com uma investigação relativa às dificuldades apresentadas por estudantes sobre conceitos termodinâmicos e a relação dos mesmos com a evolução histórica; Goedhart e Kaper (2002), que realizaram um levantamento com mais de setenta artigos relacionados ao entendimento dos estudantes sobre os conceitos de calor e energia nos processos químicos; Grayson e Treagust (1999), Greenbowe e Meltzer (2003), Jasien e Oberem (2002), Kaper e Goedhart (2002), Liu e McKeough (2005) e Niaz (2006), que verificaram confusões recorrentes entre os estudantes sobre os conceitos de calor, temperatura e energia; Anderson (1990) e Duit (1987), que estudaram as concepções dos estudantes relacionadas ao caráter material da energia; Hadfield e Wieman (2010) e Meltzer (2004), que investigaram as dificuldades conceituais dos estudantes sobre a Primeira Lei da Termodinâmica.

Em relação à energia envolvida nas ligações químicas, aspecto amplamente discutido no estudo da Termoquímica, Hapkiewicz (1991) destaca que, na concepção

de alguns estudantes da Educação Básica, a ligação é interpretada como se fosse uma mola estendida e que libera a energia quando é rompida. Nesse sentido, os estudantes teriam a ideia de que a ligação prende os átomos, liberando esse “conteúdo energético” associado a ela quando a mesma é rompida.

Fernandez e Marcondes (2006) ressaltam que muitos estudantes entendem a ligação química como algo físico, tendendo a pensar que para ocorrer a formação da ligação há uma demanda por energia relacionada à junção dos átomos. A sua quebra, por sua vez, liberaria essa energia que, a princípio, estaria fisicamente armazenada em seu interior. A partir de pesquisas realizadas com estudantes do nível médio, Chittleborough e Treagust (2007) e Souza e Justi (2010) apontam que concepções desse tipo são resultantes de uma extrapolação direta relacionada aos eventos do nível observável para o submicroscópico. Somam-se a isso questões advindas de outras áreas do conhecimento, como da Biologia, com a ideia relacionada ao armazenamento de energia química pelos alimentos. Os estudantes, então, tendem a pensar que: (i) a energia está acondicionada nas ligações (no alimento ou na molécula de ATP, por exemplo) e é liberada nos processos químicos (Teichert & Stacy, 2002); (ii) a quebra das ligações H–H e O=O libera energia (Mulford & Robinson, 2002); e (iii) o calor causa a expansão das moléculas (Souza & Justi, 2010), levando ao rompimento das ligações presentes nas moléculas de água (Griffiths & Preston, 1992).

Além dessas ideias, vários outros autores relatam concepções alternativas de estudantes do Ensino Médio sobre conceitos como calor, temperatura, energia e transformações químicas. Essas concepções, se não forem trabalhadas pelo professor em sala de aula, podem dificultar o entendimento dos processos termoquímicos e, em especial, da energia envolvida nas transformações químicas. Muitas delas podem estar relacionadas ao fato de os estudantes: (i) apresentarem dificuldades em estabelecer relações entre conceitos abstratos como calor, temperatura e energia (Cohen & Ben- Zvi, 1992); (ii) pensarem nas transformações químicas como adição, “cola” de reagentes para formar produtos e não como interação envolvendo a quebra e a formação de ligações (Ben-Zvi, Eylon, & Silberstein, 1987); (iii) possuírem uma visão estática das partículas, com pouco ou nenhum entendimento sobre como ocorrem, em

nível submicroscópico, as transformações químicas (Boo, 1998; Chittleborough & Treagust, 2007); (iv) terem dificuldades em entender o significado das transformações químicas e dos processos endotérmicos e exotérmicos (de Vos & Verdonk, 1986); (v) desconhecerem, total ou parcialmente, a origem do aquecimento ou resfriamento percebido em alguns processos químicos (Boo, 1998); e (vi) invocarem um modelo estático para representar e explicar as transformações químicas (Andersson, 1990).

Seguindo as discussões levantadas pelas diferentes pesquisas aqui apresentadas, ressalta-se também que a Termoquímica é um tópico presente no currículo do Ensino Médio cujo ensino e aprendizagem tem-se revelado problemáticos, conforme enfatizado por Mulford e Robinson (2002), Teichert e Stacy (2002), Griffiths e Preston (1992), Hapkiewicz (1991) e Boo (1998). Isso porque nem todas as explicações são triviais para serem trabalhadas nesse nível de escolaridade, dada a sua complexidade conceitual e o rigor matemático das grandezas em estudo10.

Finalmente, é importante chamar a atenção para o desafio que os professores enfrentam ao trabalhar com temas de grande abrangência teórica e abstração, tal como a energia envolvida nos processos químicos. Isso porque o uso de muitos desses conceitos é feito de forma indiscriminada e pragmática em nossa sociedade, o que pode contribuir para que os estudantes reforcem suas ideias intuitivas em relação aos diferentes conteúdos estudados, apresentando dificuldades na construção/aceitação da ideia científica. Assim, cabe aos professores mediar esse processo de construção do conhecimento científico em sala de aula. Acredita-se que o ensino fundamentado na Modelagem pode favorecer tal articulação.

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Para exemplificar uma situação que será tratada neste trabalho, é possível apresentar a discussão sobre a espontaneidade dos processos endotérmicos, que só pode ser explicada de forma plausível quando se lança mão de conceitos abordados superficialmente no Ensino Médio, tais como Entropia, Energia Livre de Gibbs e Entalpia. Assim, em um sistema isolado, com temperatura e pressão constantes, para que um processo ocorra espontaneamente, a variação da Energia Livre de Gibbs (ΔG), expressa pela equação dG = dH-T.dS, deve ser negativa. É necessário, então, que haja um balanço entre a Entalpia (H) e a Entropia (S), de modo que a relação dH-T.dS seja mínima. No caso de processos espontâneos que sejam endotérmicos, o sistema só pode ir para um estado de maior energia porque o aumento da Entropia compensa. Na verdade, o sistema foi para um menor estado de Energia Livre.