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Propagação do calor

Borges e Nicolau

Fluxo de calor

A propagação do calor pode ocorrer por três processos diferentes: condução, convecção e irradiação. Para os três modos de propagação definimos a grandeza denominada fluxo de calor:

Em que Q é a quantidade de calor transmitida e Δt o intervalo de tempo correspondente.

Unidades de fluxo de calor: cal/s, cal/min, W

Condução térmica

Transmissão em que a energia térmica se propaga por meio da agitação molecular.

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Lei de Fourier:

Em que K é o coeficiente de condutibilidade térmica do material.

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Os bons condutores, como os metais, têm valor elevado para a constante K; já os isolantes térmicos (madeira, isopor, lã, etc.) têm valor baixo para a constante K.

Convecção térmica

Transmissão de energia térmica, que ocorre nos fluidos, devido à movimentação do próprio material aquecido, cuja densidade varia com a temperatura.

Correntes de convecção

Ascendente, formada por fluido quente.

Descendente, formada por fluido frio.

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Irradiação

Transmissão de energia por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, luz visível, ultravioleta etc.). Quando estas ondas são raios infravermelhos, falamos em irradiação térmica.

Quando a energia radiante (energia que se propaga por meio de ondas eletromagnética) atinge a superfície de um corpo ela é parcialmente absorvida, parcialmente refletida e parcialmente transmitida através do corpo. A parcela absorvida aumenta a energia de agitação das moléculas constituintes do corpo (energia térmica). As radiações infravermelhas são as mais facilmente absorvidas, isto é, são as que mais facilmente se transformam em energia térmica.

Efeito estufa

Substâncias presentes na atmosfera terrestre (CO2, vapor de água, metano, etc.) limitam a transferência de calor da Terra para o espaço, durante a noite, mantendo assim um ambiente adequado para a vida. A intensificação desse efeito, devido à ação humana, está provocando o aquecimento global, com graves consequências para o planeta.

Garrafa térmica

Dispositivo no qual são minimizados os três processos de transmissão de calor. O vácuo entre as paredes duplas evita a condução. A boa vedação da garrafa evita a convecção. O espelhamento interno e externo das paredes reduz ao mínimo a irradiação.

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Exercício básicos

Exercício 1:

Dos três processos de propagação de calor, qual deles ocorre no vácuo?

Exercício 2:

Considere as afirmações:

I) A propagação de calor por convecção ocorre nos fluidos em geral.

II) A propagação de calor por condução não ocorre no vácuo.

III) Uma malha de lã tem como função fornecer calor ao corpo de uma pessoa.

IV) O ar atmosférico e o gelo são bons condutores de calor.

Tem-se:

a) Só as afirmações I) e II) são corretas;

b) Só as afirmações III) e IV) são corretas;

c) Só as afirmações I) e III) são corretas;

d) Só as afirmações I), II) e III) são corretas;

e) Todas as afirmações são corretas.

Exercício 3:

Por que, embora estejam à mesma temperatura, ao tocarmos numa maçaneta metálica e numa porta de madeira, temos a sensação de que a maçaneta está mais fria?

Exercício 4:

Nas geladeiras domésticas:

I) o congelador está colocado na parte superior;

II) o ar frio desce, por convecção, resfriando os alimentos;

III) as prateleiras não são inteiriças mas têm a forma de grade, de modo a permitir a convecção do ar no interior da geladeira;

IV) deve-se, nos modelos mais antigos, retirar periodicamente o gelo que se forma sobre o congelador para não prejudicar a troca de calor.

Tem-se:

a) Só as afirmações I) e II) são corretas;

b) Só as afirmações III) e IV) são corretas;

c) Só as afirmações I) e III) são corretas;

d) Só as afirmações I), II) e III) são corretas;

e) Todas as afirmações são corretas.

Exercício 5:

Uma extremidade de uma barra de alumínio está em contato com vapor de água em ebulição sob pressão normal (100 ºC). A outra extremidade está em contato com gelo em fusão sob pressão normal (0 ºC).

A barra tem comprimento de 100 cm e a área da seção reta

é de 5,0 cm².

A barra está envolvida por um isolante de modo que é desprezível o calor perdido pela superfície lateral. Sendo K = 0,50 cal/s.cm.ºC o coeficiente de condutibilidade do alumínio, determine:

a) o fluxo de calor que atravessa a barra;

b) a quantidade de calor que atravessa uma seção da barra em 6,0 minutos;
c) a temperatura numa seção da barra situada a 8,0 cm da extremidade mais fria.