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?
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Sensações
térmicas diferentes para corpos com temperaturas iguais
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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 |
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Pequenos
pregos são fixados numa barra metálica com cera
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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.
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Sendo o metal bom condutor de calor, haverá um
fluxo de energia térmica no sentido de B para A, atingindo a mão da pessoa.
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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.
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O
calor propaga-se através da parede do forno de uma pizzaria.
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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 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
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