Propagação do calor (I)
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.
Exercício
1: resolução
Irradiação,
pois a transmissão de energia ocorre por meio de ondas
eletromagnéticas.
Resposta: Irradiação
Exercício 2: resolução
I) Correta. A
propagação de calor por convecção ocorre nos líquidos e gases, isto é, nos
fluidos.
II) Correta. A condução exige um meio material para se
propagar.
III) Incorreta. A malha é um isolante térmico. Ela reduz a perda de
calor do corpo para o meio ambiente.
IV) Incorreta. Eles são isolantes
térmicos
Resposta: a
Exercício 3: resolução
O coeficiente de
condutibilidade térmica do metal é maior do que o da madeira. Nestas condições,
a maçaneta de metal retira mais rapidamente calor da mão, dando a impressão de
estar mais fria.
Exercício 4: resolução
I) Correta. O ar da
parte superior em contato com o congelador fica mais frio e desce, dando lugar
ao ar quente que sobe.
II) Correta. Pelo processo descrito no item I) os
alimentos são resfriados por convecção
III) Correta. A finalidade é permitir
a convecção do ar no interior da geladeira.
IV) Correta. O gelo é um isolante
térmico
Resposta: e
Exercício
5: resolução
a) φ = K.A.Δθ/e => φ = 0,50.5,0.(100-0)/100 =>
φ = 2,5 cal/s
b) φ = Q/Δt => 2,5 = Q/360 => Q =
9,0.102 cal
c)
φ1 = φ2 => K.A.(100-θ)/92 = K.A.(θ-0)/8 => θ = 8,0 ºC
Respostas:
a) 2,5 cal/s
b)
9,0.102 cal
c) 8,0 ºC
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