ISSN 1678-0701
Número 67, Ano XVII.
Março-Maio/2019.
Números  
Início      Cadastre-se!      Procurar      Submeter artigo      Fazer doação      Contato     Apresentação     Normas de Publicação     Artigos     Dicas e Curiosidades     Reflexão     Para sensibilizar     Dinâmicas e recursos pedagógicos     Entrevistas     Divulgação de Eventos     O que fazer para melhorar o meio ambiente     Sugestões bibliográficas     Educação     Plantas medicinais     Práticas de Educação Ambiental     Uma crônica, um artigo e algumas histórias!     Educação e temas emergentes     Ações e projetos inspiradores     Gestão Ambiental     Cidadania Ambiental     Relatos de Experiências     Notícias
Relatos de Experiências

13/03/2019DETERMINANDO A RADIAÇÃO SOLAR NO ENSINO DE CIÊNCIAS  
Link permanente: http://revistaea.org/artigo.php?idartigo=3584 
" data-layout="standard" data-action="like" data-show-faces="true" data-share="true">



RELATOS DE EXPERIÊNCIAS DE EDUCAÇÃO AMBIENTAL

Determinando a Radiação Solar no Ensino de Ciências



Determining the solar radiation in Science Teaching



Informações sobre Autores:

Autores:

Licenciada em Matemática Andrea Berro Vernier, professora Escola Estadual de Ensino Fundamental Hermeto Bermudez, Uruguaiana/RS;

Doutor em Ciências Carlos Maximiliano Dutra, Professor Associado UNIPAMPA.

e-mails:

andreavernier@hotmail.com;

profcarlosmaxdutra@gmail.com

Resumo

No presente trabalho relatamos uma proposta de experimento para determinação da radiação solar realizada por estudantes dos anos finais do Ensino Fundamental de uma escola de Uruguaiana/RS. Medindo o aquecimento da água contida em um recipiente exposto a luz solar foi possível medir em intervalos de tempo a variação da temperatura e através da fórmula do calor e de fluxo de energia foi possível determinar a radiação solar incidente no recipiente como sendo em média de 357,92 ± 44,08 W/m². Buscando testar a viabilidade desse método simples de detecção da radiação solar comparamos o valor obtido com os dados da estação meteorológica de Uruguaiana/RS que integra a rede do Instituto Nacional de Meteorologia e o valor mostrou-se compatível para o dia e horário de realização do experimento. A Energia Solar é uma importante fonte de energia renovável e a abordagem através desse experimento constitui-se em alternativa interessante para contextualizar essa temática no Ensino de Ciências, proporcionando uma maior interação do estudante no processo de ensino-aprendizagem.

Palavras-chave: solar. energia. ciências.

Abstract

In the present work we report a proposal of experiment to determine the solar radiation performed by students of the final years of Elementary School of a school in Uruguaiana / RS. Measuring the heating of the water contained in a container exposed to sunlight was possible to measure the temperature variation in time intervals and through the formula of heat and energy flow it was possible to determine the solar radiation incident on the container as being on average 357,92 ± 44.08 W/m². In order to test the feasibility of this simple method of detecting solar radiation, we compare the value obtained with the data of the meteorological station of Uruguaiana / RS that integrates the network of the National Institute of Meteorology and the value proved to be compatible for the day and time of accomplishment of the experiment. Solar energy is an important source of renewable energy and the approach through this experiment constitutes an interesting alternative to contextualize this theme in Science Teaching, providing a greater interaction of the student in the teaching-learning process.

Keywords: Solar. Energy. Science.

1 Introdução

O trabalho com a área da Ciência da Natureza no ensino fundamental, apresentado pelos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs, Brasil 1998), sugere a utilização do conhecimento científico, como uma capacidade a ser desenvolvida, oportunizando condições para que ao final de seu itinerário o educando seja capaz de, “Saber utilizar conceitos científicos básicos, associados à energia, matéria, transformação, espaço, tempo, sistema, equilíbrio e vida” (BRASIL, 1998, p.33). Muito embora o conceito de energia seja abstrato, complexo e às vezes de difícil compreensão, problematizá-lo é essencial no sentido de promover a evolução conceitual e desenvolver no educando, habilidades e competência fundamentais em seu desenvolvimento.

A Base Nacional Curricular Comum (BNCC, Brasil 2017) aponta que o tema Energia deve fomentar o entendimento sobre os meios de produção, de transformação e propagação da energia.

(...) da produção, da transformação e da propagação de diferentes tipos de energia e do funcionamento de artefatos e equipamentos que possibilitam novas formas de interação com o ambiente, estimulando tanto a reflexão para hábitos mais sustentáveis no uso dos recursos naturais e científico-tecnológicos quanto a produção de novas tecnologias e o desenvolvimento de ações coletivas de aproveitamento responsável dos recursos. (BRASIL, 2017, p. 324).

A radiação solar é fundamental para a existência da vida em nosso planeta, influencia de forma decisiva muitas áreas da atividade humana. Da Silveira (2013) faz um histórico sobre a energia solar, aborda sobre os primeiros experimentos e a utilização dessa energia ao longo do tempo, segundo o autor no sec. XIX Herschel através de um experimento determinou a intensidade da radiação solar, tendo criado um aparelho para medir a intensidade do calor dos raios solares. Ainda conforme o autor, Ericsom em 1871 através do seu calorímetro solar afirmou que a energia dinâmica que se desenvolve em uma área quadrado de superfície no topo da atmosfera é de 7,11 BTU por minuto, o que equivale a 1332 W.m-², uma aproximação do valor atribuído hoje para essa grandeza, que é de 1367 W.m-2 e denominado constante solar.

Martins et al. (2004) aponta que conforme o balanço radioativo do planeta, 30% da radiação solar é refletida no topo da atmosfera, sendo que dos 70% restantes que constituem a radiação solar incidente alcança a superfície da Terra cerca de 51% ou seja aproximadamente 36% da constante solar.

A energia solar tem sido objeto de práticas de experimentação aplicadas ao ensino de ciências. Perottoni & Zorzi (1993) submeteram dois corpos de gelo ao derretimento um exposto e outro protegido do Sol. Considerando o calor de fusão do gelo, determinou a quantidade de energia envolvida no derretimento durante o tempo da experiência. Ao subtrair a quantidade de energia das duas situações, determinaram a quantidade de energia devida exclusivamente a incidência da luz solar. Tendo em conta a área incidente, determinaram o fluxo de radiação solar no experimento de 767 W/m2 que corrigido por fatores de absorção atmosférica e de ângulo de incidência dos raios solares levou a estimativa de uma constante solar de 1544 ± 253 W/m2. Os autores chamam a atenção para as incertezas quanto à determinação da quantidade da radiação que é refletida no gelo, bem como a correção da contribuição da absorção atmosférica. Pereira, et al. (2016) realizou um minicurso com professores do Ensino Médio, apresentando uma atividade prática de determinação da constante solar, fazendo uma estimativa e encontrando valor f =1078 W/m², o qual é muito próximo do valor real, tendo por objetivo medir a quantidade de energia emanada do sol e recebida na superfície da terra a cada min. relacionando essa constante com a potencia de energia emitida pelo sol. Dworakowski, et al.(2010) propuseram um experimento onde, estudantes a partir de um aquecedor solar, aprofundaram conceitos relacionados a formas de transmissão de calor, características dos meios em relação a propagação da luz e espectro eletromagnético, diferenças entre os conceitos de temperatura e calor.

No presente trabalho tendo por base o experimento de Perottoni & Zorzi (1993) propomos alternativamente a medição da radiação solar utilizando a variação da temperatura da água contida em determinado recipiente.

2 Material e Métodos

Discutimos a seguir a teoria, material e métodos para a estimativa da radiação solar global (radiação solar incidente + radiação solar difusa) com a posterior comparação do valor encontrado com piranômetro da estação meteorológica automatizada do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) cujos dados estão disponibilizados diariamente de hora em hora no site “ http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesAutomaticas“

Pela 1 lei da Termodinâmica o calor recebido pela água é descrito pela equação:

Q = m. c. ∆T (1)

Q = quantidade de calor (em cal)

m = massa (kg)

c = calor específico da água (4190 Ws/kg ºC ou 1 kcal/kg ºC)

T = variação entre as temperaturas final e inicial da água (em ºC)

Como a fonte de variação dessa temperatura é a radiação solar global, composta pela radiação solar de incidência direta e a difusa, podemos calcular o fluxo de radiação solar pela fórmula:

I = Q / área. Tempo (2)

Portanto:

I= m . c . ∆T/A. t => I = ((m.c)/A).(∆T/t) (3)



Sendo as unidades em W/m2 ou cal/cm² .min.

Para realização da atividade experimental buscou-se um grupo de 12 estudantes de nono ano, da Escola Estadual de Ensino Fundamental Hermeto José Pinto Bermudez (Uruguaiana/RS), que se propuseram a realizar o experimento em turno inverso. Os educandos/as foram organizados em três grupos com quatro integrantes.

Foram trabalhados com os alunos os conceitos de Energia, Formas de Energia e Calor, de posse desse conhecimento teórico propomos o experimento de determinação da radiação solar pelo aquecimento provocado em um recipiente contendo água exposto à luz do Sol e outro de controle localizado na sombra, utilizando as fórmulas apresentadas acima foi possível determinar a Energia envolvida no aquecimento.

Para realização do experimento de determinação da Radiação Solar incidente faz-se necessário os seguintes materiais:

- Dois recipientes de vidro “de conserva” com áreas medidas previamente;

- Dois termômetros;

- Um relógio ou celular, para marcar os tempos;

- Tinta acrílica fosca preta e pincel;

- Dois pedaços de isopor para colocar em cima os recipientes os mantendo isolados termicamente em relação ao solo;

- Um copo medidor, para determinar a quantidade de água a ser inserida nos recipientes, os volumes devem ser conhecidos e iguais, utilizou-se 400 ml;

Os estudantes iniciaram pela atividade de preparação dos recipientes de vidro com as medidas de área do topo e área lateral, bem como a pintura com tinta acrílica fosca preta de 50% da área lateral do vidro, para que a radiação solar incidente pela parte transparente do vidro fosse absorvida na parte preta do mesmo mantendo a optimização de aquecimento da água no interior do recipiente. Após preparação cada um dos grupos colocaram dois recipientes contendo 400 ml de água e com termômetros imersos, um no Sol e outro na sombra, conforme Figura 1.

Figura 1 – Realização do experimento

Fonte produzida pelo autor.

Para realizar o acompanhamento da variação de temperatura da água nos recipientes pela energia térmica vinda da radiação solar, foram realizados registros no dia 19 de junho de 2018, no horário entre 11h e 15 min. e 12h, das temperaturas dos dois recipientes com intervalos de tempo de 60 segundos. As medidas foram realizadas até a estabilização da temperatura.

3 Resultados

Os dados encontrados pelos estudantes com o experimento mostraram a variação da temperatura em relação ao tempo e estão ilustrados a seguir, (Quadro 2).

Quadro 2– Registros da variação da temperatura em relação ao tempo.

Experimento

Grupo 1

Grupo 2

Grupo 3

Tempo(segundos)

T. Sol

T. Sombra

T. Sol

T. Sombra

T. Sol

T. Sombra

0

15

15

17

17

17

17

60

15

15

17

18

17

17

120

15

15

17

18

18

17

180

15

15

18

18

18

17

240

16

15

18

18

18

17

300

17

15

18

18

18

17

360

17

15

18

18,5

19

17

420

18

15

19

18,5

19

17

480

18

15

19

18,5

20

17

540

19

15,5

19

18

20

17

600

19

15,5

19

18

21

17

660

19

15,5

19

18,5

21

17

720

19,5

15,5

19

18,5

21

17

780

20

15,5

19,5

19

21

18

840

20

16

20

19

21

18

900

20,5

16

20

19

21

18

960

20,5

16

20

19

21

18

1020

21

16

20,5

19

21,5

18

1080

21

16

20,5

19

22

18

1140

21

16

20,5

19

22

18

1200

21,5

16,5

20,5

19

22,5

18

1260

22

16,5

20,5

19

23

18

1320

22

16,5

21,5

19

23

18

1380

22,5

16,5

21,5

19

23,5

18

1440

22,5

16,5

22

19

23,5

18

1500

23

16,5

22

19

24

18,5

1560

23

16,5

22

19

24

18,5

1620

23,5

16,5

22

19

24

18,5

1680

24

16,5

22,5

19

24,5

18,5

1740

24

16,5

22,5

19

24,5

18,5

1800

24

16,5

23

19

25

18,5

1860

24

16,5

23

19

25

18,5

1920

24

16,5

23,5

19

25

18,5

1980



24

19



Fonte produzida pelo autor

Para poder calcular a radiação solar é necessário a medida da variação da temperatura com tempo ao longo da duração do experimento. Dessa forma considerou-se a variação de temperatura com o tempo entre duas medidas de temperatura em intervalos consecutivos de tempo, conforme os dados do Quadro 3. Após foi realizado o calculo da média dessas variações de temperatura em função do tempo que foram utilizadas no cálculo da radiação.

Quadro 3–Variações de temperatura com o tempo.

Experimento

Grupo 1

Grupo 2

Grupo 3

Tempo (segundos)

T. Sol

T. Sombra

T. Sol

T. Sombra

T. Sol

T. Sombra


T/∆t

T/∆t

T/∆t

T/∆t

T/∆t

T/∆t

0

0

0

0

0,0166

0

0

60

0

0

0

0

0,0166

0

120

0

0

0,0166

0

0

0

180

0,0166

0

0

0

0

0

240

0,0166

0

0

0

0

0

300

0

0

0

0,0083

0,0166

0

360

0,0166

0

0,0166

0

0

0

420

0

0

0

0

0,0166

0

480

0,0166

0,0083

0

-0,0083

0

0

540

0

0

0

0

0,0166

0

600

0

0

0

0,0083

0

0

660

0,0083

0

0

0

0

0

720

0,0083

0

0,0083

0,0083

0

0,0166

780

0

0,0083

0,0083

0

0

0

840

0,0083

0

0

0

0

0

900

0

0

0

0

0

0

960

0,0083

0

0,0083

0

0,0083

0

1020

0

0

0

0

0,0083

0

1080

0

0

0

0

0

0

1140

0,0083

0,0083

0

0

0,0083

0

1200

0,0083

0

0

0

0,0083

0

1260

0

0

0,0166

0

0

0

1320

0,0083

0

0

0

0,0083

0

1380

0

0

0,0083

0

0

0

1440

0,0083

0

0

0

0,0083

0,0083

1500

0

0

0

0

0

0

1560

0,0083

0

0

0

0

0

1620

0,0083

0

0,0083

0

0,0083

0

1680

0

0

0

0

0

0

1740

0

0

0,0083

0

0,0083

0

1800

0

0

0

0

0

0

1860

0

0

0,0083

0

0

0

1920

0


0,0083

0



1980



0

0




Med.= 0,0046

Med.= 0,0008

Med.= 0,0036

Med.= 0,0009

Med.= 0,0043

Med.= 0,0008

Fonte produzida pelo autor.

Para a determinação da radiação solar envolvida através da Equação 3, necessitamos além das médias de variação de temperatura (quadro 4) as seguintes grandezas: massa de água nos recipientes; calor específico da água e área efetiva de exposição dos recipientes. A área total (área do topo superior mais a área lateral) dos recipientes determinadas inicialmente pelos alunos foi de 390,22 cm2. Consideramos como área efetiva para o recipiente no Sol a metade da área total e para o recipiente na sombra toda a área total. Os dados estão compilados no quadro 4 conjuntamente com o resultado do cálculo da radiação pela Equação 3.

Quadro4: Sumário de resultados de medidas para cálculo da radiação.

Grupo

Configuração

Massa de água (kg)

Calor específicoda água (J/kgC)

Area Efetiva (cm2)

Media Variação Temperatura com tempo

Radiação Solar (W/m²)

1

Vidro Sol


0,40

4190

195,11

0,0046

395,14 W/m²

1

Vidro Sombra

0,40

4190

390,22

0,0008

34,36 W/m²

2

Vidro Sol

0,40

4190

195,11

0,0036

309,24 W/m²

2

Vidro Sombra

0,40

4190

390,22

0,0009

38,65 W/m²

3

Vidro Sol

0,40

4190

195,11

0,0043

369,37 W/m²

3

Vidro Sombra

0,40

4190

390,22

0,0008

34,36 w/m²

Fonte produzida pelo autor.

Considerando os resultados obtidos no quadro 4, verificamos que a medida média de radiação solar incidente global (recipiente no sol) foi de 357,92 ± 44,08 W/m² e a radiação solar difusa (recipiente na sombra) foi de 35,79 ± 2,48 W/m². Encontramos um coeficiente de variação de 12% para radiação incidente e outro coeficiente de variação de 7% para radiação difusa, indicando menor variabilidade na medida da radiação solar difusa no ambiente em relação à radiação solar incidente global. Para tentar medir a qualidade desses dados obtidos com esse detector experimental, propomos comparar esses valores de radiação solar incidente global com os obtidos para o mesmo dia pela estação meteorológica do INMET no site “http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesAutomaticas”. Na Figura 2 apresentamos os resultados dessa comparação considerando as medidas obtidas pelos três grupos. Verificamos que para data e hora de realização do experimento os resultados (quadrados vermelhos) são compatíveis com os dados obtidos de hora em hora pela estação meteorológica (pontos azuis).

Figura 2- Gráfico representando os resultados obtidos pelos grupos relacionando com o valor estimado pelo INMET.

Fonte produzida pelo autor

4 Considerações Finais

O reconhecimento e a valorização do uso das nossas fontes energéticas devem ser trabalhados no Ensino de Ciências conforme os documentos balizadores do Currículo da Educação Básica para a formação de uma consciência ambiental com o uso sustentável da energia. Nesse sentido propomos nesse trabalho uma prática de determinação da radiação solar global incidente, já que a experimentação possibilita uma aprendizagem interativa e mais atraente que resulta numa melhor aprendizagem dos conceitos.

Através da medida do aquecimento em função do tempo de uma porção de água contida em um recipiente devido à incidência da radiação solar, podemos determinar pelas fórmulas de calor e de fluxo de energia incidente qual a radiação solar global incidente em atividade prática realizada em turno inverso por um grupo de 12 alunos do 9° ano de uma Escola do Ensino Fundamental de Uruguaiana/RS. Como resultado obteve-se uma média de radiação solar global incidente que foi de 357,92 ± 44,08 W/m² e que demonstrou ser compatível com as medidas dessa radiação pelas estações meteorológicas do INMET. Esse experimento pode então ser reproduzido por professores de Ciências de quaisquer localidades do Brasil com a posterior comparação dos dados obtidos com os da estação meteorológica do INMET em sua cidade promovendo uma determinação da radiação solar local em determinado dia e hora; e contextualizando esse experimento com a importância da Energia Solar como uma fonte de energia renovável.

Referências

BRASIL. Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs). Meio Ambiente. Brasília. 1998.

______. Ministério da Educação. Secretaria de Educação Média e Tecnológica. Parâmetros curriculares nacionais para o ensino médio (PCN+). Brasília: MEC/ SEMTEC, 2002.

______. Ministério da Educação. Base Nacional Comum Curricular. Brasília: Dezembro, 2017. Disponível em: http://basenacionalcomum.mec.gov.br/wp-content/uploads/2018/02/bncc-20dez-site.pdf . Acesso em: 15/03/2018.

DA SILVEIRA, R. Energia solar no ensino da Matemática: uma proposta para o Ensino Médio. Teses e Dissertações PPGECIM, 2013. Disponível em:<file:///C:/Users/Geovani/Downloads/1-35-1-PB%20(1).pdf> . Acesso em: 20 jun. 2018.

DWORAKOWSKI, L.A. et al. O Aquecedor na sala de aula. Experiências em Ensino de Ciências – V5(2), pp. 147-162, 2010 Disponível em: <http://if.ufmt.br/eenci/artigos/Artigo_ID115/v5_n2_a2010.pdf>. Acesso em 30 maio 2018.

MARTINS, F. R.; PEREIRA, E. B.; ECHER, M.P. Levantamento dos recursos de energia solar no Brasil com o emprego de satélite geoestacionário-o Projeto SWera. Revista Brasileira de ensino de Física, v. 26, n. 2, p. 145-159, 2004. Disponível em <http://www.scielo.br/pdf/rbef/v26n2/a10v26n2http://www.scielo.br/pdf/rbef/v26n2/a10v26n2>. Acesso em: 03 ago. 2018.

PEROTTONI, C. A.; ZORZI, J. E. Determinação da Constante Solar por meio “Calorímetro” com gelo”. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 10, n.2, p. 173-178, 1993.

PEREIRA, A. C. “Uma Prática de Determinação da Constante Solar”.

Disponível em: < https://www.sab-astro.org.br/wp-content/uploads/2018/04/SNEA2016_TCP18.pdf>. Acesso em: 07 jul. 2018



" data-layout="standard" data-action="like" data-show-faces="true" data-share="true">
 
Início      Cadastre-se!      Procurar      Submeter artigo      Fazer doação      Contato     Apresentação     Normas de Publicação     Artigos     Dicas e Curiosidades     Reflexão     Para sensibilizar     Dinâmicas e recursos pedagógicos     Entrevistas     Divulgação de Eventos     O que fazer para melhorar o meio ambiente     Sugestões bibliográficas     Educação     Plantas medicinais     Práticas de Educação Ambiental     Uma crônica, um artigo e algumas histórias!     Educação e temas emergentes     Ações e projetos inspiradores     Gestão Ambiental     Cidadania Ambiental     Relatos de Experiências     Notícias