As Orientações Curriculares para o Ensino Médio (OCEM, 2006) apontam para os conteúdos de Termodinâmica aplicados à Química a “compreensão do significado das aplicações das primeira e segunda leis da termodinâmica no estudo das transformações químicas” (OCEM, 2006, p.113). A compreensão do significado, conforme está descritonas OCEM, nãose dá simplesmente pela apresentação de um conceito pronto ou de um dado científico, visto que levará a sérias dificuldades no processo de aprendizagem, pois memorizar um conceito ou dado não é garantia de sua compreensão.
Um dos principais problemas de compreensão, segundo Pozo e Crespo (2009) “é a presença entre os alunos de fortes concepções alternativas aos conceitos científicos que lhes são ensinados, as quais são muito difíceis de modificar e, em alguns casos, sobrevivem a longos anos de instrução científica” (POZO e CRESPO, 2009, p.78), pois conhecer requer saber o sentido, o significado do dado ou fato científico. Covolan (2005) e Pozo e Crespo (2009) apontam para o levantamento de conhecimentos prévios e a evolução do próprio conceito. Esta realidade é pouco observada na maioria dos livros didáticos, apesar de concepções
alternativas e evolução conceitual já serem temas bastante abordados nas pesquisas em ensino de ciências.
A seguir, são apresentadas as formas como os conceitos estão organizados nos livros de química analisados.
No livro Q1 o texto apresentado não nos remete a outros conceitos em Termodinâmica, senão o de calor e o de entalpia, que são definidos isoladamente, sem referências aos conceitos de energia interna de um sistema, ou melhor, sem nenhuma menção a Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Processos endotérmicos e exotérmicos são definidos, de imediato, reduzidos simplesmente a processos que absorvem e liberam calor, sem remeter às definições de sistema termodinâmico, estabelecendo os tipos de troca de energia a partir do entendimento de vizinhança, fronteira e trabalho. A ênfase é para unidades usadas nas medições de quantidade de calor, para os cálculos da variação de entalpia, aplicação da lei de Hess e energia de ligação. São situações como esta que levaram Silva (2005) a pôr em discussão a real necessidade de se aprender entalpia no ensino médio, pois da forma como esse conceito e os conceitos complementares são trabalhados, apenas adestra o aluno a resolver os exercícios com a simples aplicações das expressões matemáticas fornecidas.
Q1 não aborda a Segunda Lei e nem os aspectos da espontaneidade dos fenômenos ou o conceito de entropia.
Do mesmo modo que em Q1, o livro Q2 não faz qualquer referência à Termodinâmica e/ou suas leis, apenas cita no início do conteúdo que a Termoquímica “estuda as trocas de calor associadas às reações químicas ou a mudanças de estado de agregação das substâncias” (Q2, p. 190). O calor é definido como energia em trânsito, bem como os processos endotérmicos e exotérmicos atrelados ao conceito de entalpia e sua respectiva definição matemática, focados também para o cálculo da energia envolvida nas transformações químicas ou físicas. Dos conceitos básicos como: sistema, vizinhança, fronteira, trabalho, entropia, energia interna, entalpia, apenas este último é definido. Como em Q1, também a ênfase é para os cálculos quando da resolução de problemas envolvendo a lei de Hess e as entalpias de formação, combustão e ligação.
O livro Q3 dentre os cinco livros analisados, é o que apresenta o capítulo referente à termoquímica, dos mais sintéticos. Após a introdução do conteúdo, os conceitos de processos endotérmicos e exotérmicos são apresentados, seguidos de
exemplos. Seguindo a mesma sequência das dos livros Q1 e Q2, prioriza os dados, as expressões matemáticas em detrimento da compreensão dos conceitos, que, aliás, são muito reduzidos ou omitidos. Por exemplo, calor não definido, embora se discuta os processos em que o calor se apresenta. Define-se entalpia apenas em sua expressão matemática (∆H = Hprodutos – Hreagentes) para a resolução das questões sobre entalpia de formação, de combustão e a lei de Hess. Semelhante a Q1 e Q2, não apresenta os conceitos de sistema, vizinhança e fronteira, tampouco energia interna, trabalho e entropia, onde se referenciaria as leis da termodinâmica.
No livro Q4 o conteúdo é apresentado enfatizando a Termodinâmica como ramo da Física, situando a Termoquímica como o estudo termodinâmico das transformações químicas. Esta relação da Termodinâmica Física com a Termodinâmica Química é muito importante, porque mostra como surgiu e de que forma se deu o seu desenvolvimento. Ao mesmo tempo em que traz informações histórico-sociais e cotidianas envolvendo fenômenos de transferência de calor, enfoca as concepções alternativas sobre calor e temperatura. Aos poucos vai se introduzindo os conceitos de sistema (isolado e fechado), vizinhança e fronteira, a partir do exemplo da garrafa térmica. As noções de quente e frio do senso comum são confrontadas com os conceitos científicos, como também é feita uma abordagem histórica sobre a teoria do calórico. Descreve de forma breve a evolução conceitual de energia e calor, aspectos que já foi mencionado nos relatos de Pozo e Crespo (2009) e Covolan (2005). Algumas noções de calorimetria são apresentadas (termômetros, medição de quantidade de calor, e capacidade calorífica dos diferentes materiais). Em seguida surgem os conceitos de energia, atrelado ao desenvolvimento industrial a partir da máquina a vapor no século XVIII, como também as diferentes formas de energia, a sua conservação, transformação e degradação. A Figura 3 apresentada na obra ajuda a entender estes processos energéticos. O texto ainda esquematiza o funcionamento de um motor de combustão de quatro tempos explicando também essas transformações.
O Princípio Zero da termodinâmica, bem como a Primeira e Segunda Leis, estão presentes na obra, além dos conceitos específicos da termoquímica, como os de entalpia, processos endotérmicos e exotérmicos. É perceptível que o texto não enfoca prioritariamente os cálculos de variação de entalpia, lei de Hess e entalpia de ligação. Observamos, ao final do capítulo, o conceito de entropiaassociado a exemplos do cotidiano, esclarecendo sobre os fenômenos espontâneos, conforme a
definição de Clausius (dissipação de energia e grau de desordem do sistema) situando-os dentro da Segunda Lei da Termodinâmica.
No livro Q5 os conceitos não são apresentados de imediato, o que se vê ao longo da obra são textos, projetos e atividades práticas sequenciadas que vão permitindo ao aluno uma visão geral dos conteúdos. Este aspecto do livro abre possibilidades também para trabalhos extraclasse a serem apresentados em
semanas científicas e culturais da escola, bem como a realização de projetos e seminários, funcionando como temas estruturadores, conforme prevê os PCN’s.
Apresenta um texto sobre os combustíveis e as formas alternativas de energia, um projeto sobre as fontes renováveis de energia, uma atividade prática sobre temperatura e termômetros, seguidos de informações históricas sobre a Termodinâmica e as suas leis (Lei Zero, Primeira e Segunda Leis), e outra atividade para confrontar as concepções alternativas sobre quente e frio (sensações) e os conceitos científicos de temperatura e calor. O próprio autor, vale salientar, é pesquisador já referenciado nessa área de pesquisa em ensino de química.
Nas atividades práticas são introduzidos conceitos de condutividade térmica, capacidade térmica, calor específico, cálculos de calor ganho e calor perdido. Depois das atividades práticas é que são abordados os conceitos científicos de calor, as leis da termodinâmica, os processos endotérmicos e exotérmicos, energia interna de um sistema, entalpia. Há um texto sobre o funcionamento termodinâmico da Terra, mostrando a circulação da energia no planeta e o papel da água, enquanto agente regulador de temperatura, por causa da sua elevada capacidade calorífica. É significativo destacar este aspecto interdisciplinar inserido em Q5, pois se observa não só relações com a Física, mas também com a Geografia, ilustrando com um mapa mundial, os movimentos das correntes marítimas que influenciam o clima da Terra. (Figura 4).
A Lei de Hess e a energia de ligação e os outros cálculos de entalpia de
reação e formação também são abordadas, mas não há ênfase em se calcular essas energias. Silva (2005) enfatiza esse aspecto da valorização do cálculo em detrimento da compreensão do fenômeno, afirmando ser negativo o aluno apenas memorizar uma expressão para uso escolar.
Ao final do capítulo encontramos um texto sobre os processos espontâneos seguidos dos conceitos de entropia, que semelhante a Q4, traz as definições associadas ao grau de desordem do sistema e a degradação da energia segundo os trabalhos de Clausius. O autor ainda avança um pouco mais, retratando de forma sucinta, outra função termodinâmica, não abordada em nenhum dos outros quatro livros aqui analisados: se trata da energia livre, sendo apresentada com exemplos de situações do cotidiano, sem também se deter ao seu cálculo como mera expressão matemática, mas focando na previsão se um processo é espontâneo ou não, e apoiando-se nessa compreensão da espontaneidade de uma reação química, finaliza o capítulo com uma breve introdução sobre a velocidade das reações químicas (apresentando o conteúdo seguinte: cinética química), lançando uma reflexão sobre os processos espontâneos e a sua ocorrência, o que mostra a preocupação com a integração dos conteúdos estudados.
É interessante perceber como os conteúdos nos livros Q1, Q2 e Q3 estão fragmentados, pois neles não aparece o termo Termodinâmica nos capítulos analisados, o que evidencia um isolamento da Termoquímica do contexto da Termodinâmica, como também não define os termos que dão suporte a explicação dos processos endotérmicos e exotérmicos, como sistema, vizinhança e fronteira, além de energia interna e entropia, contrariando a proposta clara dos documentos legais, que apontam para a aplicação as duas leis fundamentais da termodinâmica, apesar disso, esses livros passaram nos critérios para serem postos no PNLD-2012. Vejamos a título de exemplo, dois esquemas apresentados para explicar os processos exotérmicos e endotérmicos. Na Figura 5, do livro Q1 já aparece logo no início do capítulo, após a definição de calor, sem nenhuma discussão ou esclarecimento.
Na Figura 6, do livro Q4, a descrição desses dois processos só vai acontecer depois de já ter sido abordado o princípio zero da termodinâmica, seguidos do conceito de calor e temperatura (senso comum e científico), as definições de sistema isolado e fechado, bem como os conceitos de sistema e vizinhança, noções de calorimetria, as transformações da energia, energia interna e Primeira Lei da Termodinâmica. Notamos quanto o conceito em Q1 é reduzido, enfocando apenas a ação de “liberar e absorver calor” ao passo que em Q4, o esquema é muito mais amplo, permitindo ao aluno/leitor uma compreensão do percurso da energia transferida do sistema para a vizinhança ou vice-versa, como também um entendimento no campo das sensações de quente e frio que ocorrem durante o processo na sua interação com o ambiente.
Outro aspecto relevante nas obras Q4 e Q5 que merecem ser destacados em relação a Q1, Q2 e Q3 é a exposição das diferentes concepções acerca de calor e temperatura. Mortimer (1998) aponta a necessidade desse esclarecimento para que o aluno distinga essas concepções, principalmente aquela em que o calor é visto como substância, tipificado nas qualidades quente e frio ou confundido com temperatura (calor diretamente proporcional a temperatura). Do mesmo modo destacamos os conceitos apresentados, como por exemplo, o de Entalpia; apenas
as obras Q4e Q5 discutem sobre as formas de energia encontradas nas interações moleculares e nas ligações entre os átomos das substâncias, explicitando a energia cinética e potencial que compõe a Energia Interna de um sistema termodinâmico, para em seguida apresentar o conceito de Entalpia. Ao contrário de Q1, Q2 e Q3 que define apenas o termo Entalpia sem estabelecer qualquer relação com a energia interna de um sistema.
A obra Q5 apresenta duas peculiaridades a serem destacadas: 1) um bom elemento de interdisciplinaridade, ao abordar o mecanismo termodinâmico da Terra, desde a fonte primária, o Sol, passando pela transformação através da fotossíntese, e a distribuição dessa energia no planeta, sendo absorvida tanto pela atmosfera como pela crosta terrestre, o papel da água como grande regulador das temperaturas do planeta, as estações do ano e as conversões de energia que ocorrem pelas modificações do estado físico da água.
Dentro desse contexto, fazem esclarecimentos sobre os processos endotérmicos e exotérmicos, as unidades de energia (caloria e joule), as forças intermoleculares presentes na molécula de água, a capacidade calorífica e o calor específico da água; 2) a ligação que o autor faz com o assunto do capítulo seguinte, pois o finaliza tratando de processos espontâneos, trazendo uma discussão sobre velocidade de reação, enfatizando a “energia de ativação”, questionando que o fato de o processo ser espontâneo, não significa que seja possível.
O texto inicia com a pergunta “o fato de um processo ser espontâneo significa que ele realmente ocorre?”, discute o caminho de uma reação e sua velocidade, interligando os conteúdos. Estes aspectos estão bem de acordo com o que afirma Pozo e Crespo (2009) ao enfocar a aprendizagem de conceitos científicos, dando significado e sentido aos dados, aos fatos e aos conceitos apresentados.