Transmissão de Calor

Transmissão de Calor - Condução, convecção e irradiação

Condução de calor

O calor pode se propagar por três processos:

• Condução, convecção e irradiação.

A condução é processo pelo qual o calor se transmite ao longo de um meio material, como efeito da transmissão de vibração entre as moléculas. As moléculas mais energéticas (maior temperatura) transmitem energia para as menos energéticas ( menor temperatura ) .

Há materiais que conduzem o calor rapidamente, como por exemplo, os metais. Tais materiais são chamados de bons condutores. Podemos perceber isso fazendo um experimento como o ilustrado na figura 1. Segurando uma barra de metal que tem uma extremidade sobre uma chama, rapidamente o calor é transmitido para nossa mão. Por outro lado, há materiais nos quais o calor se propaga muito lentamente. Tais materiais são chamados isolantes. Como exemplo podemos citar a borracha, a lã, o isopor e o amianto.

Consideremos uma barra condutora de comprimento L e cuja seção transversal tem área A, cujas extremidades são mantidas a temperaturas θ₁ e θ₂, com θ₁ > θ₂. Nesse caso o calor fluirá através da barra indo da extremidade que tem a maior temperatura (θ₁) para a extremidade que tem menor temperatura (θ₂).

A quantidade de calor ( Q ) que atravessa uma seção reta da barra, num intervalo da tempo (t ) é chamada fluxo de calor. Representando o fluxo por Δt temos:

Experimentalmente, verifica-se que o fluxo de calor é dado pela Lei de Fourier:

Onde k é uma constante cujo valor depende do material e é chamado coeficiente de condutibilidade térmica.

A unidade do fluxo no SI, é J/s, isto é, watt ( W ). Assim, no SI, a unidade de k é

W / m.K

Na tabela abaixo fornecemos os valores de k para alguns materiais.

Exemplo 1

Uma barra de cobre, de comprimento L = 4,0 m tem seção reta de área A = 3,0 . 10^-4 m². Essa barra tem suas extremidades mantidas a temperaturas θ₁ = 90^o e θ₂ = 40^o. Sabendo que o coeficiente de condutibilidade térmica do cobre é k = 390 W/mK, calcule:

a) o fluxo de calor através da barra;

b) a temperatura num ponto situado a 1,6m da extremidade mais quente;

Resolução

 a)

b) A temperatura decresce uniformemente ao longo da barra

Convecção

A convecção ocorre no interior de fluidos (líquidos e gases) como consequência da diferença de densidades entre diferentes partes do fluido. Por exemplo, consideremos o caso ilustrado na figura 3 em que um recipiente contendo água é colocado sobre uma chama. Pelo aquecimento, a parte inferior da água se dilata e fica com densidade menor que a parte superior. Com isso, ocorre uma corrente ascendente e outra descendente. Essas correntes são chamadas de correntes de convecção.

Como outro exemplo podemos citar os refrigeradores. Neles, o congelador é colocado na parte superior. Desse modo o ar mais frio desce, espalhando-se pelo interior do refrigerador.

Irradiação

Todos os corpos emitem ondas eletromagnéticas cuja intensidade aumenta com a temperatura. Essas ondas propagam-se no vácuo e é dessa maneira que a luz e o calor são transmitidos do Sol até a Terra. Entre as ondas eletromagnéticas, a principal responsável pela transmissão do calor são as ondas de infravermelho.

Quando chegamos perto de uma fogueira, uma lâmpada incandescente ou um aquecedor elétrico, sentimos o calor emitido por essas fontes. Uma parcela desse calor pode vir por condução através do ar. Porém essa parcela é pequena, pois o ar é mau condutor de calor. Na realidade a maior parte do calor que recebemos dessas fontes vem por irradiação de ondas eletromagnéticas.

De modo semelhante ao que acontece com a luz, as ondas de calor podem ser refletidas por superfícies metálicas. É por esse motivo que a parte interior de uma garrafa térmica tem paredes espelhadas, para impedir a passagem de calor por irradiação.

Estufa

Muitas plantas são criadas em estufas que são recintos com paredes de vidro. O vidro deixa passar com facilidade as ondas vindas do sol. Essas ondas são absorvidas pelo solo e pelos corpos no interior da estufa. O solo e os corpos interiores emitem por sua vez ondas de calor que, na sua maior parte, não conseguem atravessar o vidro. Desse modo, o interior da estufa fica mais quente que o exterior.

Figura 4

O vapor de água e o gás carbônico da atmosfera têm um efeito semelhante ao do vidro. As ondas do Sol são absorvidas pela Terra a qual se aquece e passa a emitir ondas de calor que têm dificuldade em passar pelo vapor d’água e pelo gás carbônico; isso mantém aquecida a região próxima à superfície da Terra. Ultimamente, os veículos e as indústrias têm contribuído para aumentar a concentração de gás carbônico na atmosfera o que tem provocado um aumento na temperatura média próxima à superfície da Terra. No futuro esse aumento de temperatura pode ter consequências desastrosas.

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