Propagação do calor

 

 O calor se propaga sempre que há diferença de temperatura entre dois ou mais corpos. Essa propagação ocorre sempre do corpo de maior para o de menor temperatura.

Essa transferência ocorre por três processos:

 

Convecção térmica

 

 Trata-se da transferência de energia térmica (calor) pela matéria em movimento devido à diferença de densidades dessa matéria. Essa matéria só pode ser fluida (líquido, gás ou vapor). Observe a figura abaixo onde se tem tubos de vidro contendo água líquida.

A água em A, aquecida, expande-se, fica menos densa, mais leve e sobe o trecho AB. A água mais fria, mais densa e mais pesada do trecho CD desce e ainda empurra para cima a água quente do ramo AB. Obtém-se então uma circulação de água na qual a transferência de calor é feita  através da matéria (no caso, água) e que recebe o nome de corrente de convecção.

Mais exemplos:

* O congelador deve ficar na parte superior da geladeira pois o ar frio mais denso (mais pesado) desce e o ar quente menos denso

(mais leve) sobe, originando no interior da geladeira, correntes de convecção.

 O aparelho de ar condicionado deve ficar na parte mais alta do recinto, para que a ar frio mais denso, mais pesado desça..

 

 Exaustor eólico – o vento faz as palhetas do rotor girarem, o que provoca uma ligeira queda de pressão, que provoca a retirada do ar quente, gases, fumaças, etc. do ambiente, levando-os para fora.  Caso não haja vento ele funciona apenas por convecção

térmica, devido a diferença térmica entre o ar interno e o externo. A massa de ar quente, por ser mais leve, desloca-se na direção do exaustor, exercendo pressão nas palhetas do rotor, movimentando-o.

* As brisas litorâneas são também conseqüência da convecção. Durante o dia, a terra fica mais quente, o ar que fica próximo dela

 se aquece e sobe, produzindo uma zona de baixa pressão, “puxando” o ar que está sobre o mar. A noite ocorre o contrário.

* Inversão térmica – ocorre quando as camadas de ar próximas à superfície da Terra, que deveriam ser mais quentes para poderem se expandir e levar os poluentes, ficam mais frias (daí o nome de inversão térmica). Assim, o ar frio fica retido na superfície,

aprisionado pelo ar quente, impedindo as correntes de convecção, pois o ar frio que fica em baixo é mais denso e mais pesado e encontra dificuldades para subir, o que retém os poluentes próximos à superfície. Essa poluição provoca problemas de saúde como bronquite, pneumonia, asma, cansaço, etc. que atingem os indivíduos mais frágeis como idosos, crianças e doentes

* A convecção térmica não ocorre no vácuo, pois necessita de um meio material para se propagar.

 

Condução térmica

 

* O calor é conduzido de um ponto a outro do corpo sem que haja deslocamento das partículas.

Explicando microscopicamente o fenômeno: a região próxima da chama tem o movimento vibratório de suas moléculas aumentado, adquirindo assim maior energia cinética, que é transferida através de choques às partículas vizinhas, que também aumentam seu movimento vibratório. Através desse transporte de energia, toda a barra é aquecida.

* A condução não ocorre no vácuo, pois ela precisa de um meio material para se propagar.

* Os metais são bons condutores de calor e utilizados na fabricação de aparelhos que permitem aquecer rapidamente outros

 corpos, principalmente os líquidos. Os metais são excelentes condutores de calor devido ao fato de possuírem os elétrons mais externos "fracamente" ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal.

 * Corpos maus condutores de calor: vidro, borracha, isopor, lã, algodão, gelo, peles de alguns animais, gases, cortiça, poliestireno,

   poliestireno, fibra cerâmica (composta de Alumina e Sílica),  lã de vidro (um componente fabricado em alto forno a partir de sílica e sódio, aglomerados por resinas sintéticas), etc. Esses maus condutores de calor (isolantes térmicos), possuem os elétrons mais externos de seus átomos firmemente ligados.
* Os líquidos e gases, em geral, são maus condutores de calor. O ar, por exemplo, é um ótimo isolante térmico. As roupas de lã, os pêlos dos animais, o isopor, a serragem são ótimos isolantes térmicos, pois retêm o ar entre suas fibras.
*A neve é outro exemplo de um bom isolante térmico. Isto acontece porque os flocos de neve são formados por cristais, que se acumulam formando camadas fofas aprisionando o ar.

* No frio, as aves costumam eriçar suas penas para captar o ar entre eles e se aquecerem.

* Nas construções, para melhor isolamento térmico e acústico, aconselha-se utilizar paredes duplas com tijolos cerâmicos de

 cerâmica, deixando uma caixa de ar entre as paredes (veja figura acima).

 * O gelo é um excelente isolante térmico. Os esquimós o utilizam para fazerem suas moradias que se denominam iglus.

 Normalmente a parte interna é forrada com peles de foca, deixando o recinto bastante confortável. A iluminação é garantida por uma janela feita ou de um bloco de gelo transparente ou de pele de foca ou de baleia.

O calor da fogueira derrete parte dos blocos, mas a água escorre e congela novamente, reforçando a vedação das paredes de gelo.

Na entrada do iglu, é construído um pequeno túnel para impedir que o vento chegue ao interior

* Um mergulhador utiliza uma roupa de neoprene que evitam a perda do calor do corpo. O neoprene é formado por um tipo de

borracha que contém milhares de minúsculas bolhas em seu interior. Graças a essa característica, a água que entra na roupa não sai, logo ela é aquecida pela temperatura corporal e cria uma barreira isolante entre o mergulhador e o meio líquido no qual ele está envolto.

* Os beduínos do deserto usam roupas grossas e de lã  (isolante térmicos) para que seu corpo, durante o dia, mantenha a

temperatura interna de 36,5oC e não receba calor do meio exterior que pode chegar a até 45oC e, durante a noite quando as temperaturas são muito baixas, impeçam a perda de calor para o meio externo.

* Os cabos dos utensílios domésticos são feitos com materiais constituídos por isolantes térmicos.

* Lei da condução térmica -

Considere dois ambientes distintos (mão e fonte térmica) a temperaturas constantes, θ1 e θ2, separados por uma barra de área S e

espessura e. Define-se fluxo de calor  como sendo a quantidade de calor que atravessa a superfície S pelo intervalo de tempo  --- 

Φ=Q/Δt  ---  constata-se experimentalmente que essa quantidade de calor Q depende da área S da barra (parede), da espessura e da mesma e, da diferença de temperatura de temperatura Δθ=θ1 – θ2. Essas relações são expressas pela lei de Fourier através da equação:

A constante K é denominada de coeficiente de condutividade térmica é uma característica da natureza do material. Normalmente o fluxo de calor é expresso em calorias por segundo (cal/s) e, como ele é proporcional a Φ (veja fórmula) seu valor é elevado para os bons condutores (por exemplo, prata, K=0,99cal/s.cm.oC) e baixo para os bons isolantes (por exemplo, ar, K=0,000061

cal/s.cm.oC).

* Quando a temperatura ambiente de uma sala está, por exemplo, a 28oC, e você (temperatura de 36,5oC) coloca uma mão na maçaneta de uma porta e a outra na madeira da mesma, a maçaneta lhe parece mais fria que o metal apesar dos dois estarem a mesma temperatura, porque o metal é melhor condutor de calor, retirando mais calor de seu corpo que a madeira. O contrário ocorreria se você estivesse numa sauna cujo ambiente, por exemplo, está a 42oC, o metal lhe parecerá mais quente pois, agora ele lhe fornece mais calor que a madeira pois é melhor condutor térmico.

* A ponta de um cigarro aceso, quando encostada a uma folha fina de papel, atrás da qual está uma moeda, não consegue queimá-

la porque a alta condutibilidade térmica absorve todo calor do cigarro, sem que haja tempo para o papel se queimar.

 

Irradiação térmica

 

* É o fenômeno pelo qual a energia emitida pelo Sol chega até a Terra através do vácuo. Realiza-se através de ondas

eletromagnéticas que são compostas por diversas ondas de freqüências diferentes (raios cósmicos, raios X, raios ultravioleta, luz visível, raios infravermelhos, microondas, etc.), chamadas radiações térmicas. Qualquer corpo que possua temperatura superior ao zero absoluto (0K ou -273oC) emite energia radiante e as que se transformam mais facilmente em calor quando absorvidas pelo receptor são as infravermelhas, denominadas também de ondas de calor.

* A radiação ocorre também no ar, como você pode observar na figura abaixo onde a mão está recebendo calor por irradiação.

* Estufa - Estufa agrícola - Quando a energia radiante atinge a superfície de um corpo uma parte é absorvida (cerca de 65%), outra refletida (cerca de 35%). A parte absorvida fica retida no corpo sob forma de calor (energia térmica).

As radiações solares diretas (radiações de luz visíveis) não são filtradas pelos vidros ou lonas plásticas transparentes, atravessando-as (se refratando) com facilidade. Essa luz solar carrega em si grande quantidade de energia, capaz de ser transmitida para o interior da estufa sendo retida em seu interior e superfície, aquecendo-as. Esse processo de condução de calor é conhecido como irradiação. Isso acontece quando a luz solar nos aquece dentro de casa, mesmo quando as janelas estão fechadas ou quando estamos dentro do carro sob o sol.
A facilidade que a radiação direta tem em atravessar a superfície de vidro ou das lonas transparentes não se repete para a parcela de energia refletida, que retorna ao ambiente externo.

O vidro ou lona transparente tem uma grande capacidade de “prender” este calor, pois são transparentes para a luz visível e opaco para as radiações infravermelhas. Por isso o interior fica mais quente que o exterior.

* Quando a energia radiante atinge a superfície de um corpo uma parte é absorvida, outra refletida e outra refratada. A parte absorvida fica retida no corpo sob forma de calor (energia térmica).

Quando a maior parte da energia é absorvida e pouca parcela é refletida ou refratada o corpo é chamado de opaco, ou seja, ele é mau refletor e mau refrator. São os corpos escuros, principalmente o negro. Todo bom absorvedor é bom emissor.

O contrário ocorre com os corpos claros e polidos, que são bons refletores de calor, maus absorventes e maus emissores..

Exemplos:

As panelas e frigideiras devem ter fundo negro, para absorverem maior quantidade de calor. 

 No inverno deve-se usar de preferência roupas escuras e no verão roupas claras.

 

O que você deve saber

 

 Entender e memorizar os conceitos dos três processos de propagação de calor. os conceitos de

* Uma das razões que faz a água, próxima à superfície livre de alguns lagos, congelar no inverno, em regiões de baixas temperaturas, é o fato de que ao ser resfriada, no intervalo aproximado de 4 °C a 0 °C, ela sofre um processo de dilatação.

Com isso seu volume aumenta e sua densidade diminui. A água da superfície, mais fria e mais dessa, desce (correntes descendentes) e a água das profundezas, mais quente e menos densa sobe (correntes ascendentes).

Essas correntes de convecção continuam seu movimento até toda água atingir a temperatura de 4oC (densidade máxima) quando cessam, porque toda água agora tem a mesma densidade.

Mas, se a temperatura da superfície continua diminuindo até abaixo de 0oC, a água da superfície se congela e esse gelo isola por

condução o ambiente acima da superfície da água (a menos de 0oC) das águas abaixo da mesma que estão (a 4oC).

Devido a esse fenômeno é possível a vida nas profundezas de lagos e mares, mesmo estando coberta de gelo a sua superfície.

Estufa


 A energia total emitida por radiação é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do emissor

* Corpos escuros são bons absorventes de calor e corpos claros e polidos são bons refletores de calor.

*

* Efeito estufa - Ao penetrarem na atmosfera terrestre e atingirem sua superfície, parte dos raios luminosos provenientes do Sol são absorvidos e transformados em calor (cerca de 65%), outros são refletidos para o espaço, mas só parte destes chega a deixar a Terra, pois são refletidos de volta pelos chamados "Gases de Efeito Estufa" (dióxido de carbono, metano, clorofluorcarbonetos- CFCs- e óxidos de azoto), sob forma de raios infravermelhos (ondas de calor). O efeito é benéfico ao planeta Terra, mantendo sua temperatura nas condições que propiciam a vida, pois, sem ele a temperatura na Terra seria da ordem de -20oC.

Entretanto, nos últimos anos, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera tem aumentado cerca de 0,4% anualmente; este aumento se deve à utilização de petróleo, gás e carvão e à destruição das florestas tropicais. Esse aumento do dióxido de carbono na atmosfera permite a saída das radiações visíveis e impede a saída das radiações infravermelhas (ondas de calor), aquecendo a Terra e trazendo graves conseqüências para o nível dos oceanos e para o clima.

* Garrafa térmica – Há aproximadamente um século, foi inventada por James Dewar e foi construída de maneira que evite a transmissão de calor pelos três processos (condução, convecção e irradiação).

A condução térmica é evitada pelo vácuo entre as paredes duplas e pela tampa de material isolante. A irradiação é evitada pelas paredes espelhadas que refletem as radiações tanto interna como externamente. A convecção é evitada pelo vácuo entre as paredes duplas.

 

 

Exercícios