CONDUÇÃO DE CALOR

 Condução de calor

Antes de iniciar seus estudos, reflita sobre as questões abaixo, forme suas opiniões e confronte-as com a teoria apresentada em seguida. Suas ideias e sugestões são muito importantes para enriquecer nosso ensino e o seu aprendizado. A transmissão de calor envolve necessariamente o contato físico dos corpos? Como se explica que os esquimós constroem suas casas com gelo (iglus) para se protegerem do intenso frio da região ártica? Uma garrafa e uma lata de refrigerante permanecem durante um certo tempo no “freezer" para entrarem em equilíbrio térmico a –4°C. Entretanto, ao retirarmos os dois recipientes da geladeira, temos a impressão de que a lata está mais fria que a garrafa. Qual é a explicação?

1. A Física e o cotidiano

Como classificar condutores e isolantes térmicos?

Sensações térmicas diferentes para corpos com temperaturas iguais

 

 

 

O alumínio da lata é melhor condutor de calor que o vidro; ao pegarmos uma lata, temos a sensação de que está mais fria do que o vidro, pois a taxa de transferência de calor de nossa mão para a lata é maior do que para a garrafa.

2. A Física e o mundo

As quentes paredes de gelo

O gelo apresenta um coeficiente de condutividade térmica semelhante ao do concreto (2,2 . 10^–3cal/s.m°C) e pode ser considerado um isolante térmico. Desse modo, o calor produzido no interior dos iglus, liberado pela queima de combustíveis ou nos processos de respiração e transpiração de seus moradores, fica ali retido, elevando a temperatura em seu interior, enquanto a temperatura externa é da ordem de –50°C no inverno.

3. A Física e o laboratório

Comprovação da condução de calor

Pequenos pregos são fixados numa barra metálica com cera

 

Tabela de condutibilidade térmica

Substância	Condutibilidade Térmica
Ar seco	3,5.10–5
Lã de vidro	1,0.10–4
Seda	2,2.10–4
Hidrogênio	4,4.10–4
Água	1,4.10–3
Gelo	2,2.10–3
Mercúrio (líquido)	2,1.10–2
Alumínio	4,9.10–1
Prata	9,7.10–1

4. A Física e a evolução de seus conceitos

Introdução

Transmissão de calor é a denominação dada à passagem da energia térmica de um corpo para outro ou de uma parte para outra de um mesmo corpo. Essa transmissão pode processar-se de três maneiras diferentes, que são denominadas: condução, convecção e radiação.

Condução

É o processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um local para outro através das partículas do meio que os separa.

Como exemplo de condução de calor, podemos citar o aquecimento da água existente em uma panela de alumínio colocada sobre a chama de um fogão.

A energia térmica, para atingir a água, deve atravessar uma placa de alumínio, passando de partícula para partícula desse material.

Notemos que, se não existissem as partículas constituintes da placa, não haveria condução de calor.

Dessa forma, a condução de calor é um processo que exige a presença de meio material e que, portanto, não ocorre no vácuo.

Sendo o metal bom condutor de calor, haverá um fluxo de energia térmica no sentido de B para A, atingindo a mão da pessoa.

 

Consideremos dois meios, (1) e (2), em temperaturas diferentes, ₁ e ₂ (₁ < ₂), separados por uma placa metálica de área S e espessura L.

Verifica-se que há uma passagem de calor de (2) para (1). Define-se fluxo de calor () através da placa como sendo o quociente da quantidade de calor que a atravessa pelo tempo gasto para atravessá-la.

Portanto, o fluxo de calor representa a quantidade de calor que atravessa a placa na unidade de tempo.

Atingido o regime estacionário de escoamento de calor através da chapa metálica, verifica-se, experimentalmente, que o fluxo de calor  é proporcional à área S da placa, à diferença de temperatura  entre os meios (1) e (2) que ela separa, e é inversamente proporcional à espessura L da placa, podendo ser escrita a relação:

Notemos que, para S,  e L iguais, quanto maior for C, maior será o fluxo de calor. Portanto:
em que C é uma constante de proporcionalidade característica do material que constitui a placa, chamada coeficiente de condutibilidade térmica.

– se o C de um material é grande, diremos que este material é bom condutor de calor.

Exemplo:

os metais de um modo geral.

– se o C de um material é pequeno, diremos que este material é mau condutor de calor.

Se o material é péssimo condutor, costuma-se dizer que é um isolante térmico.

O calor propaga-se através da parede do forno de uma pizzaria.

Como exemplo de isolantes térmicos, podemos citar: isopor, cortiça, porcelana, borracha, madeira, mica e os gases de um modo geral.

Regime estacionário

Ao longo da espessura L da placa, cada seção transversal da placa estabiliza sua temperatura.

Resumo da Condução do Calor
Energia passa de partícula a partícula (não ocorre no vácuo) Fluxo de calor  C = coeficiente de condutibilidade térmica Cgrande = bom condutor (metais) Cpequeno = mau condutor (isolantes)

O matemático e físico francês Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) estudou a condução do calor através de sólidos e publicou, em 1822, a teoria analítica do calor, criando uma lei que levou o seu nome — Lei de Fourier.

Exercícios Propostos

1. (MODELO ENEM) – A transmissão de calor é um tema ligado ao cotidiano que apresenta interfaces com a Biologia, a Geografia e a Química.

O calor que atravessa uma parede e as sensações térmicas diferentes do corpo humano para corpos com temperaturas iguais são explicados pela condução.

A formação de ventos, a subida da fuligem pela chaminé e o posicionamento do ar-condicionado e de aquecedores numa sala são ligados à convecção térmica.

O aquecimento produzido pelo Sol, por corpos incandescentes, a absorção de calor por corpos escuros e a reflexão pelos claros e espelhados evidenciam os efeitos térmicos da radiação.

O calor Q atravessa uma placa de 10cm², feita de ferro (160 . 10^–3cal/scm°C) de 1,0cm de espessura em 10s.

O calor Q, em calorias, vale:

a) 16 

b) 160 

c) 850 

d) 1600 

e) 8500

2. (UFSM-MODELO ENEM) – Em 2009, foi construído na Bolívia um hotel com a seguinte peculiaridade: todas as suas paredes são formadas por blocos de sal cristalino. Uma das características físicas desse material é sua condutividade térmica relativamente baixa, igual a 6,0W/(m.°C).

A figura a seguir mostra como a temperatura varia através da parede do prédio.

Qual é o valor do módulo do fluxo de calor que atravessa a parede em uma área de 1,0m²?

a) 125W 

b) 800W 

c) 1200W

d) 2400W 

e) 3000W

3.  O aquecimento de água em residências com o uso de energia solar é uma alternativa ao uso de outras fontes de energia. A radiação solar, ao incidir nas placas, promove o aquecimento da água. O cobre é um dos materiais empregados na produção dos tubos que conduzem a água nos coletores solares. Outros materiais poderiam também ser empregados.

A tabela a seguir apresenta algumas propriedades de metais que poderiam substituir o cobre:

Propriedades	Metal
	Alumínio	Chumbo	Ferro	Níquel	Zinco
Calor de fusão, kJ/mol	10,7	4,8	13,8	17,5	7,3
Condutividade térmica, W/(m . K)	237	35	80	91	116
Capacidade calorífica, J/(mol . K)	24,2	26,6	25,1	26,1	25,5

De acordo com as propriedades dos metais listadas na tabela, o melhor metal para substituir o cobre seria o

a) alumínio. 

b) chumbo. 

c) ferro.

d) níquel. 

e) zinco.

4. (UERN-MODELO ENEM) – Num dia muito frio em Campina Grande, um garoto chamado Pedro, com o intuito de minimizar o frio, fez a seguinte proposta a seu pai:

– Pai, hoje tá muito “frio"! Pega o cobertor de lã e vem pra cama comigo.

O pai disse:

– Não precisa de cobertor de lã. O lençol de algodão, por ser fininho, será melhor para nos aquecer.

A mãe de Pedro participa da conversa e retruca:

– Que história é essa? O cobertor de lã é um excelente condutor térmico, e impedirá que o calor se propague para o meio.

De repente, chega o irmão de Pedro, que fala:

– Nada disso! O cobertor de lã é um isolante térmico, por isso ele é mais apropriado que o lençol de algodão.

Por fim, Pedro conclui:

– Não importa, gente, venham todos pra cá me aquecer, que está frio.

Com base no diálogo dessa família, está(ão) correto(a)(s)

a) Pedro e seu irmão. 

b) Pedro e sua mãe.

c) Pedro e seu pai. 

d) Somente a mãe de Pedro.

e) Somente o pai de Pedro.

5. Usando a teoria de transmissão de calor que você aprendeu, analise as afirmativas dadas a seguir classificando-as como verdadeira ou falsa.

(01) A sensação de frio que uma pessoa sente está relacionada à rapidez com que ela perde calor para o meio ambiente.

(02) Um pássaro eriça suas penas no inverno para manter ar entre elas, evitando, assim, que haja transferência de calor do seu corpo para o meio ambiente.

6.  Num experimento, um professor deixa duas bandejas de mesma massa, uma de plástico e outra de alumínio, sobre a mesa do laboratório. Após algumas horas, ele pede aos alunos que avaliem a temperatura das duas bandejas, usando para isso o tato. Seus alunos afirmam, categoricamente, que a bandeja de alumínio encontra-se numa temperatura mais baixa. Intrigado, ele propõe uma segunda atividade, em que coloca um cubo de gelo sobre cada uma das bandejas, que estão em equilíbrio térmico com o ambiente, e os questiona em qual delas a taxa de derretimento do gelo será maior.

O aluno que responder corretamente ao questionamento do professor dirá que o derretimento ocorrerá

a) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem uma maior condutividade térmica que a de plástico.

b) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem inicialmente uma temperatura mais alta que a de alumínio.

c) mais rapidamente na bandeja de plástico, pois ela tem uma maior capacidade térmica que a de alumínio.

d) mais rapidamente na bandeja de alumínio, pois ela tem um calor específico menor que a de plástico.

e) com a mesma rapidez nas duas bandejas, pois apresentarão a mesma variação de temperatura.

Gabarito

1. RESOLUÇÃO:

Resposta: D

2. RESOLUÇÃO:

 

Resposta: D

3. RESOLUÇÃO:

O metal que deve substituir o cobre é o alumínio, de maior condutividade térmica e que transmite o calor com maior facilidade para a água do aquecedor.

Resposta: A

4. RESOLUÇÃO:

O cobertor é isolante térmico e a energia térmica irradiada pelo corpo humano aquece o ar entre a cama e o cobertor.

Resposta: A

5. RESOLUÇÃO:

(01) Verdadeira.

(02) Verdadeira. O ar é péssimo condutor de calor.

6. RESOLUÇÃO:

O tato percebe o fluxo de calor da pele para a bandeja. O alumínio retira o calor com fluxo maior que o plástico, daí a sensação térmica diferente para sistemas com temperaturas iguais. A condutividade térmica do alumínio é maior que a do plástico e, por isso, a bandeja metálica promoverá uma perda de calor para o gelo mais rápida o que provoca um derretimento mais rápido.

Resposta: A