Investigando Câmaras Térmicas

Capa. Fotografia Acervo Pessoal Roberto Pessoa do Nascimento.

Roberto Pessoa do Nascimento, mediador Espaço Ciência Viva, 2020-2021.

FAÇA CIÊNCIA VOCÊ MESMO

NA COZINHA

Beber uma água bem geladinha, ainda mais em dias bem quentes, é bem refrescante, não é mesmo?

Entretanto, quando deixamos a água alguns minutos fora da geladeira, rapidamente ela deixa de ficar gelada.

Será que conseguimos fazer com que ela fique gelada durante um bom tempo, mesmo estando fora da geladeira?

Que tal criarmos um local, onde deixaremos as garrafas com água para que ela permaneça por mais tempo gelada, após serem retiradas da geladeira?

Vamos investigar e experimentar, a procura de melhores soluções?

Cuidados e Ajuda Necessários: FAZER CIÊNCIA JUNTOS É SEMPRE MELHOR!

Nesta investigação da série “Faça Ciência Você Mesmo na Cozinha”, é necessário o uso de tesoura ou estilete, peça ajuda a um adulto ou ao seu responsável, aproveite e convide-os a investigar com você!

Materiais e Equipamentos

Lista de materiais da nossa Câmara Térmica. Fotografia Roberto Pessoa do Nascimento.

Para fazer a nossa Câmara Térmica, vamos precisar de:

 

  • Duas caixas de leite de 1 litro vazias, cuja as dimensões sejam 20 cm de altura, 7,1 cm de largura e 7,1 cm de espessura (as caixas de leite que você possa ter em casa podem variar em alguns centímetros suas dimensões, mas o importante é ter uma caixa entre 18 a 20 cm de altura).
  • Jornais, folhas de revistas, papel cartão, cartolina, ou folhas A4; você pode usar entre 7 a 13 folhas de revistas, 5 a 8 folhas de jornais, 1 rolo de papel cartão ou cartolina ou 10 folhas A4. Se tiver mais de um tipo dessas folhas em casa, você poderá investigar qual delas funcionará melhor!
  • 1 Saco plástico de supermercado ou de lixo, com dimensões aproximadas de 30 cm x 40 cm. (Ver Dica 1).
  • Garrafas plásticas de água de 510 ml ou menores. Essas garrafas podem ter formas diferentes, mas precisam caber dentro da caixa de leite que você usar.
  • Termômetro de cozinha digital. (Ver Dica 2).
  • Água bem gelada, 1 litro.
  • Estilete ou tesoura.
  • Um tubo de cola (tipo com 40 gramas).
  • 1 Pano seco.
  • Tinta guache, diversas cores (opcional).
  • Pinceis de pintura (opcional, ver Dica 3).

Dicas sobre o Material

  1. Caso você tenha alguns outros sacos plásticos em casa, mais resistentes ou mais cumpridos, não se preocupe, a parte que exceder de dentro da caixa de leite será cortada. Os sacos de lixo padrão são vendidos de acordo com sua capacidade: 8 litros (34cm x 38cm), 15 litros (39cm x 58cm), 30 litros (59cmx62cm) ou maiores como os de 40, 60 e até 100 litros.
  2. Os termômetros de cozinha digital conseguem medir uma grande faixa de temperatura. Os mais comuns, utilizados neste experimento, são os de vareta, na figura abaixo, que variam de -50°C a 300°C, cuja parte metálica fica em contato direto com a substância que queremos medir a temperatura.
  3. Os pincéis possuem uma variedade grande de tamanhos, assim como possuem também pontas finas ou achatadas e sua utilização depende do desenho e dos detalhes que deseja fazer em alguma pintura. Como neste experimento, para fazer alguns desenhos é recomendável a utilização de, primeiramente, um pincel de número entre 18 a 24 para pintar o fundo com intuito de esconder as marcas da caixa (Ninho, Leco, etc.) e pinceis de números como de 0 a 8 para desenhos mais detalhados, como o que você encontrará como exemplo deste experimento.
Termômetro de cozinha utilizado no experimento. Fotografia Acervo Roberto Pessoa do Nascimento.
Variação de tamanho dos pinceis chatos de pintura.

COLOCANDO A MÃO NA MASSA!

Vamos começar preparando uma Câmara Térmica, onde guardaremos nossas garrafas recém-tiradas da geladeira.

Primeiramente, com as caixas de leite em mãos devemos deixá-las o mais limpas possível e bem secas por dentro; para isso, com o auxílio de uma tesoura ou estilete abra a parte de cima das duas caixas de leite, onde fica a tampa e, logo após, limpe-as e seque-as bem.

Caixas de leite com tampas.
Caixas de leite com a tampa recortada.

O básico de nossa câmara térmica está pronta. Mas é necessário verificar se uma caixa entra na outra! Pois precisamos poder abrir ou fechar para colocar a garrafa com água gelada dentro. Se elas entrarem uma na outra bem justas, você deverá fazer um pouco de força, mas não se preocupe, elas são maleáveis e fáceis de ajustar!

Encaixando uma caixa na outra.
As duas caixas encaixadas.

A CAIXA INTERNA

Logo depois, pegue a caixa que ficou por dentro para encher de jornal, mas antes, espalhe um pouco de cola e vá colando o jornal tanto dos lados da caixa quanto na base, deixando no meio um vão do formato das garrafas que você têm. Amasse e aperte bem as folhas de jornal.

Caixa interna (inferior)

Caixa externa (tampa, superior)

A CAIXA EXTERNA: A TAMPA

Já com a segunda caixa, apenas corte-a pela metade vertical, pois ela servirá como nossa tampa!

E para finalizar pegue a cola e coloque um pouco na “barreira de jornal” que você fez, e coloque o saco plástico no meio, onde a garrafa ficará, para haver uma separação entre o jornal e a garrafa e espere a cola secar; o restante do saco plástico que ficar para fora você pode cortar com a tesoura. Certifique-se que o plástico esteja bem preso no jornal para que ele não saia.

Pronto! Podemos colocar a garrafa dentro e partir para nossos testes!

OPCIONAL: Você pode personalizar a parte de fora da caixa do jeito que preferir! Apenas será necessário as tintas guache; você pode desenhar símbolos de super-heróis ou seu nome!

Aqui está duas caixas personalizadas para você se inspirar!

MOMENTO EXPERIMENTAÇÃO!

A primeira coisa que podemos fazer é comparar, de início, duas situações e observar se realmente conseguimos manter uma garrafa gelada por mais tempo fora de nossa geladeira.

Pegue duas garrafas com a mesma quantidade de água e coloque-as na geladeira por no mínimo 60 minutos.

Após tirá-las da geladeira, coloque uma delas na nossa câmara térmica e a outra ao lado, ao ar ambiente.

Com o nosso tato e sensibilidade à temperatura, podemos tocar as duas garrafas em intervalos de tempo regulares como 5 a 10 minutos. E, por meio de nossos sentidos observar (ou melhor, sentir) qual fica mais tempo gelada!

Se você tiver um termômetro de cozinha em casa a nossa “experiência” fica ainda mais divertida e precisa!

O que temos que fazer é praticamente a mesma coisa, manter duas garrafas com água na geladeira e com o auxílio do termômetro medir as suas temperaturas, de tempos em tempos, até que as duas garrafas tenham a mesma temperatura.

É importante verificar se elas tinham a mesma temperatura ao retirá-las da geladeira. E colocá-las rapidamente uma na nossa câmara e outra ao ar livre!

Em intervalos de tempo de 5 a 10 minutos podemos testar de forma mais precisa o seu funcionamento, fazendo uma pequena tabela da temperatura de cada garrafa, a cada medida.

Modelo de tabela para registro e comparação das garrafas

Observe na tabela quando ocorre a diferença máxima na temperatura das duas garrafas.

Com isso conseguimos ver a eficácia de nossa câmara: se ela precisa de alguns ajustes ou de algumas melhorias!

DESAFIO E INVESTIGUE MAIS!

Investigando: O que acontece se não colocarmos o jornal? O jornal é realmente importante? E se colocarmos outro tipo de material, como isopor, papel picado? Ou se colocarmos mais caixas uma dentro da outra? E se enrolarmos as caixas com algum pano? Entre as duas caixas é melhor ficar folgado ou não?

Faça e tente ter uma melhor câmara que conseguir; fazendo os possíveis ajustes e combinações que você achar necessário! Monte tabelas de comparação como a mostrada acima para a caixa que você fez os ajustes para que você possa ver e testar se obteve sucesso!

Além, claro, de um designer único!

MAS POR QUE, MESMO NUMA CAIXA FECHADA, ELA PERMANECE GELADA? O QUE ESTÁ ACONTECENDO?

Os materiais que usamos em nossa experiência possuem algumas propriedades importantes, que nos auxiliam. Não é à toa que caixas, como as caixas longa vida, que contem líquidos como leite ou suco sejam de materiais que nos auxiliam em manter o alimento bem protegido em relação ao conteúdo e a temperatura. Muitos destes materiais primeiramente ficam em depósitos não muito refrigerado e só depois são transportados para os supermercados perto de nossas casas. Assim, é necessário ter esse tipo de caixa, onde o alimento permanece o mais intacto possível!

Mas o que essas caixas possuem de tão especial?

Se você já percebeu em algum momento que pegou as embalagens de leite, de suco em caixas e de até tomate em caixinha no supermercado ou durante essa nossa experiência, elas possuem uma parte onde está escrito “Tetra Pak”; e isso é um tipo de embalagem cartonadas ou caixinhas Longa Vida que reúnem, em uma única embalagem, três diferentes materiais: papel-cartão, polietileno e papel-alumínio. Juntos eles impedem a penetração da luz, do ar, da água e dos microrganismos, protegendo o alimento para que não estrague.

UM POUCO DA HISTÓRIA DA TETRA PAK: EMBALAGENS LONGA VIDA

A Tetra Pak, em si, é uma empresa de embalagens fundada em 1950, por Ruben Rausing.

Ruben, Gad e Hans Rausing com o primeiro protótipo de máquina de embalar Tetra Pak. Wikicommons.

Materiais presentes nas embalagens:

PAPEL-CARTÃO:

Antes da invenção do papel, o homem já utilizava várias formas para escrever e desenhar. Os homens primitivos usavam as paredes das cavernas, muito tempo depois, na Índia, foram usados as folhas de palmeiras; os egípcios inventaram o papiro que era muito parecido com o papel que temos hoje, mas bem frágil. Os chineses foram os primeiros a produzir o papel que nós conhecemos hoje mas feito de fibras de bambu ou seda. Mas em 1690 o papel se tornou mundialmente popular, quando os americanos construíram a primeira fábrica de papel. E hoje, existe uma infinidade de tipos de papel como o papel manteiga, papel cartão, cartolina, papel de seda e vários outros.

O papel-cartão, presente na embalagem, além de ser um tipo de papel mais duro e resistente, serve para a impressão de alguma marca no lado de fora, para manter a caixa bem rígida facilitando seu transporte e também tem um papel fundamental em ‘impedir’, ou melhor, dificultar que o alimento, em seu interior, troque calor com o meio externo pois o papel-cartão é um mau condutor de calor possibilitando que o alimento fique mais tempo “gelado” quando tirado da geladeira ou “quente” quando tirado do fogão.

POLIETILENO:

O polietileno, também conhecido como politeno, é o plástico mais popular do mundo. Ele foi descoberto pela primeira vez, por acidente, em uma fábrica de produtos químicos de Cheshire perto de Northwich, Inglaterra. Em 1933, uma equipe de químicos da fábrica da ICI Wallerscote, perto de Northwich, estava trabalhando em polímeros* quando um experimento deu errado. Um resíduo branco foi produzido que acabou por ser o polietileno. A descoberta do politeno é atribuída a dois cientistas, Eric Fawcett e Reginald Gibson,que o produziram em 1933.

O polietileno foi usado como material isolante para cabos de radar durante a Segunda Guerra Mundial e a substância era um segredo bem guardado. Hoje, é amplamente utilizado na fabricação de embalagens de alimentos, sacolas, tubos de plástico e isolamento de cabos elétricos.

Mas por que polietileno e não plástico?

*O polietileno é um polímero (que vem do grego poli=muitos, e mero=partes); que são compostos químicos formado por uma “repetição” de moléculas ligadas entre si; a estrutura química dos polímeros é basicamente de carbono e hidrogênio. Já o polietileno tem a sua estrutura como mostrado na imagem abaixo:

Estrutura do polietileno, segue-se que há a repetição sucessivas uma seguida de outros. Imagem

Os polímeros são ótimos isolantes térmicos. Logo, são altamente recomendados em aplicações que requeiram isolamento térmico; que é o caso do nosso experimento.

PAPEL-ALUMÍNIO:

O papel-alumínio é uma finíssima folha de Alumínio, o metal mais numeroso na crosta terrestre, altamente maleável e que está presente em muitos objetos em nosso dia a dia. O papel-alumínio, nas embalagens de suco e de leite, é utilizado principalmente para proteger da luz. E o papel alumínio, aqui, tem a mesma função que em uma garrafa térmica com suas paredes internas espelhadas! Ele tanto tenta impedir a saída de calor assim como a entrada de calor por meio da irradiação, que é uma das formas de o calor se propagar por meio de ondas eletromagnéticas. Por esse motivo o papel alumínio é muito importante neste experimento que fizemos.

Para saber um pouco mais sobre o Alumínio, acesse esse link.

Curiosidades e saiba mais!

Podemos perceber que essas caixas Tetra Pak possuem muitas propriedades devido aos materiais que são feitas. Além da nossa experiência acima que propomos fazer, essas caixas por vezes são utilizadas de forma a tentar diminuir a temperatura de determinados locais como salas de aula e cômodos de casas, que recebem durante a maior parte do ano um muito calor devido ao sol; para tentarem amenizar a temperatura de locais fechados as pessoas forrando as paredes com as caixas de leite ou até forram o teto porque além de ser “barato” é um ótimo material com propriedades térmicas que acabamos de ver. Além de servir para amenizar o calor também podem ser usadas para amenizar o frio!

Algumas ideias de reutilizações das caixas Tetra Pak para amenizar temperaturas muito elevadas:

INVESTIGUE MAIS POR AÍ…

Visite outros sites e projetos com sugestões de outros experimentos para investigar.

CONEXÕES COM A SUA SALA DE AULA

Nossas investigações fazem parte da incrível história de pesquisas científicas sobre a Matéria e Energia.

E ajudam a observar, experimentar e controlar transformações físicas a partir do resultado do controle de temperatura e trocas de energia entre diferentes materiais e o ambiente. Uma importante competência na pesquisa científica e criação tecnológica.

Absorver, refletir ou transmitir energia térmica são processos presentes em todo lugar – quando a matéria e energia interagem e criam grandes aventuras.

TEMPERATURAS SÃO SEMPRE UMA AVENTURA MUITO QUENTE OU GELADA!

Se você for estudante, mande essa dica para seu professor!

REFERÊNCIAS

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