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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005

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Recebido em 5/5/04, aceito em 6/6/05

Por que não estudar entalpia no Ensino Médio

CONCEITOS CIENTÍFICOS EM DESTAQUE

Adefinição dos conteúdos deQuímica a ensinar é umprocesso complexo, no qual

intervêm numerosos fatores (Lopes,1999). Nem sempre as razões paraas escolhas efetuadas estão clara-mente associadas às finalidades donível de ensino e o resultado da trans-posição didática exibe uma reduçãode significado tamanha que os con-ceitos podem perder seu valor edu-cativo. Procurarei demonstrar que istoaconteceu com a entalpia, de modoque não se deveria estudar esse con-ceito no Ensino Mé-dio. Meu argumentose desenvolve do se-guinte modo: em pri-meiro lugar, apresen-tarei o conceito deentalpia como origi-nalmente elaboradona construção dateoria termodinâmica; segundamen-te, discutirei o conceito de entalpiaapresentado em livros didáticos dosensinos Médio e Superior e seu refle-xo na aprendizagem dos alunos; en-tão, seguindo a pista das designa-

ções anteriores da entalpia, discutireipossíveis razões para sua identifi-cação com o calor, concluindo queuma tão substancial mudança doconceito leva a entalpia escolar a pos-suir um potencial explicativo maior doque a entalpia científica, o que é umcontra-senso.

A entalpia como conceito científicoAté a segunda metade do século

19, a medição e o cálculo da quanti-dade de calor baseava-se na teoriado calórico (Brown, 1950). Desde os

trabalhos de Black,no século 18, aquantificação do ca-lor estava bem esta-belecida: desenvol-veram-se aparelhospróprios para a me-dição de calores la-tentes e calores es-

pecíficos, os calorímetros; asquantidades sensíveis de calor eramcalculadas por uma expressão do tipo

Q = m c ∆T

onde Q representa o calor, m repre-

senta a massa, c, o calor específicoe ∆T a variação de temperatura dosistema sob estudo (Roller, 1957).

Com a elaboração da Termodinâ-mica, a partir de 1840-50, a teoria docalórico foi posta de lado e suasequações ficaram sob suspeita de in-correção. Estava criado um proble-ma: como calcular a quantidade decalor? A estratégia adotada para re-solver esse problema foi calcular ocalor por intermédio de outras gran-dezas para as quais se tivesse aequação termodinâmica, a exemploda energia interna e da entalpia.

A grandeza conhecida hoje comoentalpia foi inicialmente definida porGibbs (Haase, 1971), através da ex-pressão

H = U + pV

onde U representa a energia internae p e V representam a pressão e ovolume do sistema, respectivamente1.Decorre dessa definição que, em pro-cesso isobárico, a variação de ental-pia é dada por

∆H = ∆U + p∆V = ∆U + W

onde W representa o trabalho. Como

∆U = Q - W

José Luis de Paula Barros Silva

O Ensino Médio tem como objetivo formar cidadãos alfabetizados cientificamente, ou seja, que possuam significadosclaros de conhecimentos científicos básicos, para que possam utilizá-los de modo consciente ao longo de sua vida nomundo atual, fortemente influenciado pelas ciências. Entretanto, nem todos os conceitos científicos podem ser transpostosdidaticamente para o nível da Educação Básica sem substantivas modificações de significado. Neste artigo procura-semostrar que a compreensão do conceito de entalpia - um conceito comumente estudado no Ensino Médio - requer conhe-cimentos que vão além da alfabetização científica e, portanto, não podem ser estudados neste nível de ensino.

entalpia, ensino de Termoquímica, transposição didática

A seção ‘Conceitos científicos em destaque’ tem por objetivo abordar, de maneira crítica e/ou inovadora, conceitoscientíficos de interesse dos professores de Química. Neste número a seção apresenta dois artigos.

Uma substancial mudançado conceito de calor leva aentalpia escolar a possuirum potencial explicativomaior do que a entalpiacientífica, o que é um

contra-senso

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então,

∆H = Q

Portanto, conhecendo-se a equa-ção para o cálculo da variação de en-talpia pode-se calcular o calor trocadodurante o processo. Essa equação éobtida com base na definição daentalpia como função de outras pro-priedades mensuráveis do sistema:de fato, como U, p e V são funçõestermodinâmicas, H terá de ser, neces-sariamente, uma função termodinâmi-ca também. Historicamente, esco-lheu-se expressar a entalpia comofunção da temperatura, da pressão eda composição do sistema2. Assim,a diferencial total da função H é:

Quando, durante uma transferên-cia de energia como calor, a pressãoe a composição forem mantidasconstantes, a entalpia será funçãoapenas da temperatura:

Após integração (em um pequenointervalo de temperaturas),

∆H = Cp ∆T

donde, por igualdade devalor,

Q = Cp ∆T

ou, fazendo-se Cp = m cp,

Q = m cp ∆T

O procedimento des-crito acima mostra, demodo parcial, como seresolveu o problema docálculo do calor na ter-modinâmica. Um aspec-to extremamente impor-tante é que a nova equa-ção possui a mesmaforma da equação dateoria do calórico, embo-ra o calor específico pos-sua outro significado.Desse modo, os resulta-dos de experiências ante-riores calculados pelaequação Q = m c ∆T

mantiveram sua validade e não se tor-nou necessária a repetição de todoo trabalho experimental a fim de pro-duzir as tabelas de dados termodi-nâmicos. O conhecimento sobre asquantidades de calor envolvidas nosfenômenos estudados foi preser-vado.

Como a discussão precedentemostra, a entalpia é um instrumento- uma função termodinâmica - quepossibilita o cálculo do calor envolvi-do em transformações isobáricas,porque a variação de entalpia nessastransformações é numericamenteigual à quantidade de calor transfe-rida entre sistema e vizinhança.

O mapa conceitual abaixosintetiza o conceito científico deentalpia.

Ensino e aprendizagem da entalpiaÉ freqüente que sejam atribuídos

à entalpia os significados de calortrocado entre sistema e vizinhanças ede conteúdo energético de um siste-ma. De fato, em vários dos livros didá-ticos de Química para o Ensino Médioutilizados no País, a entalpia é identi-ficada com energia ou calor ou am-bos. Expressões tais como conteúdode energia, conteúdo de calor, con-teúdo calorífico, conteúdo térmico,calor de reação, calor liberado ou

absorvido são comuns nos textosexaminados (Carvalho, 1997; Feltre,2000; Fonseca, 2001; Maldaner eZambiazi, 1997; Novais, 1999;Peruzzo e Canto, 2002; Usberco eSalvador, 1999). Nesses livros, aentalpia é importante apenas por seuemprego nos cálculos termoquí-micos.

A confusão entre os significadosde calor e entalpia avança pelo nívelsuperior de ensino: livros-textos deQuímica Geral de circulação nacionale internacional conceituam entalpiaatravés da igualdade de sua variaçãocom o calor transferido em processosa pressão constante (Russel, 1994;Bueno et al., 1978; Brady e Humiston,1998).

Essas concepções de entalpia vei-culadas pelos livros didáticos sãobem aprendidas pelos alunos. Verifi-cou-se, entre estudantes de cursosuniversitários de Química, que a ental-pia era majoritariamente identificadacom energia/calor liberada(o)/absor-vida(o) nas reações químicas. Commenor freqüência, comparecia a idéiade energia/calor de um corpo/siste-ma/substância3.

Relações entre entalpia e calorHá algumas razões de ordem his-

tórica para a confusão que se faz

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entre entalpia e calor. Ao definir agrandeza U + pV , Gibbs (1961, p.91-92) denominou-a “função calor àpressão constante” já que “a diminui-ção da função representa, em todosos casos em que a pressão não varia,o calor cedido pelosistema”.

Mais tarde, criou-se a expressão “con-teúdo de calor” paraa função H, “na au-sência de melhortermo” (Lewis eRandall, 1923, p. 55).A influência da obrade Lewis e Randallse fez sentir, direta ouindiretamente, namaioria dos textosde Termodinâmicasubseqüentes. Importantes livrosdidáticos americanos de Ensino Su-perior adotaram a expressão. Getmane Daniels (1943, p. 97), por exemplo,explicam que “conteúdo de calor” éo termo preferido para H, “seguindoo sistema de Lewis e Randall”,embora reconhecessem a existênciado termo entalpia, “usado por algunsautores”.

A expressão entalpia havia sidocunhada por Kamerling Onnes, em1909, derivada do grego talpos, quesignifica calor (Partington, 1949;Laidler, 1993). Entretanto, levaria al-gum tempo até que o termo fosseassimilado pela comunidade dos quí-micos: somente em 1935 entalpia sur-giria como palavra-chave nos Chemi-cal Abstracts.

Na edição de 1948, Daniels (1948,p. 107) adotou a nova designação pa-ra H em seu livro, explicando que “otermo entalpia (...) é largamente usa-do por físicos e engenheiros e estáaumentando seu uso entre os físico-químicos, de modo que, para efeitode uniformidade, parece melhor cha-mar nesta edição a grandeza E + pVentalpia em lugar de conteúdo decalor”.

Outro autor importante a adotar aexpressão conteúdo de calor para Hem um texto didático foi Samuel Glas-stone (1953, p. 48) que, na mesmadireção de Daniels, constatava que“engenheiros e físicos usualmente re-

ferem-se a ela [a função H] como aentalpia”. De fato, dez anos antes,Hougen e Watson (1943), em um co-nhecido texto para engenheiros quí-micos, já empregavam apenas otermo entalpia para a função H.

Glasstone estavaconsciente da po-tencial confusão con-ceitual resultante daexpressão conteúdode calor, recomen-dando que “o uso dotermo ‘conteúdo decalor’, entretanto,não deve ser inter-pretado como indica-tivo de que o sistemapossui uma quanti-dade definida deenergia calorífica”

(Glasstone, 1953, p. 48).Por outro lado, na revisão que

Pitzer e Brewer fizeram do texto deLewis e Randall, em 1961, incorpora-ram a designação entalpia para Hlado-a-lado com conteúdo de calor,com algumas ressalvas: “Em geralusaremos ambos os nomes, masevitaremos o uso do nome conteúdode calor quando processos envolven-do variações de pressão estiveremem discussão” (Pitzer e Brewer, 1961).

Os textos universitários desenvol-vem o formalismo termodinâmico eexplicitam o significado da entalpiacomo função termodinâmica. Por nãoexplicar a origem doconceito nem enfa-tizar seu caráter ins-trumental e poradotar expressõesambíguas, emborapertencentes à tradi-ção da disciplina, deixam margempara que o estudante faça uma inter-pretação fácil da entalpia como calor.

Aparentemente, é a igualdadequantitativa entre o calor trocado e avariação de entalpia do sistema du-rante um processo isobárico,

∆H = Q

que gera a interpretação da entalpiacomo conteúdo de calor. Mas essainterpretação é falsa porque os signi-ficados dos dois membros da equa-ção são distintos. No primeiro mem-

bro, ∆H representa a variação de umafunção (entalpia) que se sabe comocalcular a partir de mudanças nasvariáveis do sistema; no segundo, Qrepresenta uma quantidade de ener-gia trocada. A importância desta rela-ção está em que, sabendo-se comocalcular a variação da função entalpia,pode-se saber o valor do calor tro-cado entre sistema e vizinhança.

A discussão das seções anterio-res pretendeu deixar claro que a ental-pia não é o calor trocado entre siste-ma e vizinhança. O calor, como é umprocesso de transferência de energiaassociado a uma diferença de tem-peraturas, pode explicar as variaçõesde temperatura dos corpos materiaisatravés de uma transferência deenergia. A variação de entalpia, porseu turno, não explica nada sobre asvariações de temperatura dos corposmateriais porque não foi conceituadano âmbito da explicação desse fenô-meno. A entalpia pode ser usadacomo indicador que algo mudou nosistema, quando sua variação não énula. A variação de entalpia é apenasum sinalizador, a entalpia é uma ferra-menta de cálculo. A interpretação dosfenômenos térmicos é realizada emtermos de energia e calor (Silva et al.,2002). É evidente que, recorrendo aesses conceitos para dar significadoà entalpia, não se está acrescentandonada de novo às explicações. Estudara entalpia, deste modo, resulta

apenas em criar du-pla denominaçãopara um mesmoconceito, práticacondenável emCiência, em geral, eem ciência química,

em particular.

ConclusõesO tratamento didático da entalpia

não é simples. Compreender o signi-ficado da entalpia requer conhecer oproblema que lhe deu origem e o en-caminhamento da solução. Caso con-trário, pode acontecer que os alunosapenas memorizem mecanicamenteuma expressão para uso escolar, semqualquer vínculo com os outros am-bientes onde vivem.

No Ensino Superior, sugiro forte-

A expressão entalpia foicunhada por Kamerling

Onnes, em 1909, derivadado grego talpos, que

significa calor

Compreender o significadoda entalpia requer

conhecer o problema quelhe deu origem e oencaminhamento da

solução. Caso contrário,pode acontecer que os

alunos apenas memorizemmecanicamente uma

expressão para uso escolar,sem qualquer vínculo comos outros ambientes onde

vivem

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Abstract: Why enthalpy should not be studied at high school – High-school education has the goal of forming scientifically literate citizens, that is, who have clear understanding of basic scientificknowledge, in order to consciously use it throughout their lives in the current world, strongly influenced by science. However, not all scientific concepts can be didactically transposed to the basic-education level without substantive modifications of meaning. In this article the author seeks to show that the comprehension of the enthalpy concept – a concept usually studied at high school –requires understandings that go beyond scientific literacy and, hence, it cannot be studied at this educational level.Keywords: enthalpy, teaching of thermodynamics, didactic transposition

mente a adoção da abordagem deDenbigh (1981), que trata a entalpiacomo função auxiliar, ao lado de ou-tras funções termodinâmicas. Paraensinar o significado da entalpia,considero necessário discutir o pro-blema do cálculo termodinâmico docalor. Isto exige conhecimentos cien-tíficos - função de estado, cálculo dife-rencial e integral, formalização deconceitos - que vão além da alfabeti-zação científica e, portanto, são ina-dequados para o nível médio de en-sino.

Por outro lado, ensinar a entalpiacomo sinônimo de calor não acres-centa nada de significativo aos co-nhecimentos dos alunos. Porém,atribui à entalpia ensinada na esco-la (entalpia escolar) um poder expli-cativo maior do que a entalpiacientífica possui pelo modo comofoi termodinamicamente definida, oque é um contra-senso, já que oobjetivo do ensino das ciências édiscutir os conhecimentos científi-cos. A transposição didática dasciências não deve distorcer as ciên-cias e adulterar os seus signifi-cados.

Em vista do exposto, proponhoque o conceito de entalpia não sejaestudado no Ensino Médio, sob pe-na de ser apenas mais um objetode simples memorização e em-pobrecimento do processo peda-gógico. É suficiente e necessárioensinar o conceito de calor comoprocesso de transferência de ener-gia - no âmbito das leis da termo-dinâmica - para discutir os proble-mas termoquímicos de interesse dapopulação leiga.

Notas1. O trabalho de Gibbs, publica-

do em 1878, empregou simbologiae terminologia diferentes das atuais.

2. Isto é válido para sistemassimples, em que o único tipo detrabalho é o de variação de volume.

Caso exista trabalho de variação desuperfície, transferência de cargasetc., outras propriedades serãovariáveis e deverão ser incluídas naequação diferencial da entalpia.

3. Levantamento realizado peloautor em disciplina de Físico-Quí-

mica de cursos universitários deQuímica.

José Luis de Paula Barros Silva (joseluis@ufba.br),bacharel em Química, mestre em Física e doutorem Química pela Universidade Federal da Bahia(UFBA), é docente do Instituto de Química daUFBA.