RADIAÇÃO TÉRMICA

 Radiação térmica

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. O calor pode descer? A cor de um corpo tem relação com sua temperatura? Um avião pode ser invisível?

1. A Física e o cotidiano

A mão abaixo da panela não é aquecida por condução nem por convecção. A radiação de infravermelho emitida pela panela faz os núcleos dos átomos da mão oscilarem para aquecê-la.

2. A Física e o mundo

Como exemplo de radiação, podemos citar a energia solar que recebemos diariamente, a energia emitida por uma lareira que nos aquece no inverno, a energia emitida por uma lâmpada de filamento, cujo efeito sentimos eficazmente quando dela nos aproximamos, e outros.

Toda energia radiante, transportada por ondas de rádio, raios infravermelhos, raios ultravioleta, luz visível, raios X, raios γ etc., pode converter-se em energia térmica por absorção. Entretanto, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor ou radiações caloríficas.

A energia térmica vem do Sol por meio de ondas eletromagnéticas

 

 

3. A Física e o laboratório

Transferência de calor por radiação

Um objeto à temperatura ambiente emite radiação – é a radiação infravermelha. Um objeto quente, como uma lâmpada, emite grande quantidade de radiação infravermelha. Esta radiação pode aquecer outros objetos. Os objetos quentes esfriam-se à medida que emitem energia radiante.

O bombeiro da foto está usando um traje forrado com material mau condutor de calor (asbesto ou lã de vidro, por exemplo). A cobertura aluminizada da roupa é para refletir a radiação térmica. O avião invisível O caça norte-americano F-117A Stealth foi projetado de forma que sua geometria e os materiais que recobrem sua superfície o tornem extremamente absorvente às radiações, em especial, na banda de frequência do radar, o que torna bastante difícil sua detecção por sistemas de defesa aérea, daí o título de “avião invisível".

As superfícies metálicas polidas refletem praticamente todas as ondas eletromagnéticas incidentes. Os corpos negros absorvem a maior parte e os brancos as refletem.

Por isso, recomenda-se que, no verão, não usemos roupas pretas, pois elas absorverão muita radiação, aquecendo-se mais que as peças brancas.

4. A Física e a evolução de seus conceitos

Radiação

É o processo de transmissão de calor por ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro através do espaço que os separa.

Sendo uma transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, a radiação não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre em meios materiais e também no vácuo. 

Entretanto, não são todos os meios materiais que permitem a propagação das ondas de calor através deles. Desta forma, podemos classificar os meios materiais em:

• Diatérmicos: são os meios que permitem a propagação das ondas de calor através deles (são os meios transparentes às ondas de calor).

Exemplo: ar atmosférico.

• Atérmicos: são os meios que não permitem a propagação das ondas de calor através deles (são os meios opacos às ondas de calor).

Exemplo: parede de tijolo.

Exercícios Propostos

1. Um coletor solar de 10m² de área de absorção aquece 30 de água entre 20°C e 40°C em 10min.

Note e adote cágua = 1,0cal/g°C; 1,0cal = 4,0J; dágua = 1,0kg/

A insolação útil, em W/m², vale:

a) 50 

b) 1,0 . 10² 

c) 2,0 . 10²

d) 4,0 . 10² 

e) 1,0 . 10³

2. (FACISB-MODELO ENEM) – Um coletor solar tem área de 2,0m², rendimento de 60% e fornece energia para 200kg de água contida em um reservatório termicamente isolado. Considerando-se que a intensidade de radiação solar na região, em determinado período do dia, é de 700 W/m², que o calor específico sensível da água é igual a 4,2 . 10³ J/(kg · °C) e que toda a energia útil recolhida pelo coletor seja transferida integralmente para a água no reservatório, é correto afirmar que a variação detemperatura sofrida pela água, em °C, no intervalo de uma hora, será igual a

a) 7,2 

b) 6,0 

c) 9,0 

d) 3,6 

e) 12,0

3. (UFSM) – Um dos métodos de obtenção de sal consiste em armazenar água do mar em grandes tanques abertos, de modo que a exposição ao sol promova a evaporação da água e o resíduo restante contendo sal possa ser, finalmente, processado. A respeito da evaporação da água, analise as afirmações a seguir.

I. A água do tanque evapora porque sua temperatura alcança 100°C.

II. Ao absorver radiação solar, a energia cinética de algumas moléculas de água aumenta, e parte delas escapa para a atmosfera.

III. Durante o processo, linhas de convecção se formam no tanque, assegurando a continuidade do processo até que toda a água seja evaporada.

Está(ão) correta(s)

a) apenas I. 

b) apenas II. 

c) apenas III.

d) apenas I e II. 

e) I, II e III.

4.  Em um experimento, foram utilizadas duas garrafas PET, uma pintada de branco e a outra de preto, acopladas cada uma a um termomêtro. No ponto médio da distância entre as garrafas, foi mantida acesa, durante alguns minutos, uma lâmpada incandescente. Em seguida, a lâmpada foi desligada. Durante o experimento, foram monitoradas as temperaturas das garrafas: a) enquanto a lâmpada permaneceu acesa e b) após a lâmpada ser desligada e atingirem equilíbrio térmico com o ambiente.

A taxa de variação da temperatura da garrafa preta, em comparação com a da branca, durante todo experimento, foi

a) igual no aquecimento e igual no resfriamento.

b) maior no aquecimento e igual no resfriamento.

c) menor no aquecimento e igual no resfriamento.

d) maior no aquecimento e menor no resfriamento.

e) maior no aquecimento e maior no resfriamento.

5. Usando a teoria de transmissão de calor que você aprendeu, analise as afirmativas dadas a seguir e classifique-as como verdadeiras ou falsas.

(1) Nas mesmas condições, um corpo escuro absorve maior quantidade de radiação térmica do que um corpo claro.

(2) Entre as paredes de vidro de uma garrafa térmica (Vaso de Dewar), faz-se vácuo para evitar trocas de calor com o meio ambiente, por condução e por convecção.

6.  Um carro solar é um veículo que utiliza apenas a energia solar para a sua locomoção. Tipicamente, o carro contém um painel fotovoltaico que converte a energia do Sol em energia elétrica que, por sua vez, alimenta um motor elétrico. A imagem mostra o carro solar Tokai Challenger, desenvolvido na Universidade de Tokai, no Japão, e que venceu o World Solar Challenge de 2009, uma corrida internacional de carros solares, tendo atingido uma velocidade média acima de 100 km/h.

Disponível em: www.physics.hku. Acesso em: 3 jun. 2015.

Considere uma região plana onde a insolação (energia solar por unidade de tempo e de área que chega à superfície da Terra) seja de 1 000 W/m², que o carro solar possua massa de 200 kg e seja construído de forma que o painel fotovoltaico em seu topo tenha uma área de 9,0 m² e rendimento de 30%.

Desprezando as forças de resistência do ar, o tempo que esse carro solar levaria, a partir do repouso, para atingir a velocidade de 108 km/h é um valor mais próximo de

a) 1,0 s. 

b) 4,0 s. 

c) 10 s.

d) 33 s. 

e) 300 s.

7.  O Sol representa uma fonte limpa e inesgotável de energia para o nosso planeta. Essa energia pode ser captada por aquecedores solares, armazenada e convertida posteriormente em trabalho útil. Considere determinada região cuja insolação – potência solar incidente na superfície da Terra – seja de 800 watts/m². Uma usina termossolar utiliza concentradores solares parabólicos que chegam a dezenas de quilômetros de extensão. Nesses coletores solares parabólicos, a luz refletida pela superfície parabólica espelhada é focalizada em um receptor em forma de cano e aquece o óleo contido em seu interior a 400°C. O calor desse óleo é transferido para a água, vaporizando-a em uma caldeira. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica.

Considerando que a distância entre a borda inferior e a borda superior da superfície refletora tenha 6 m de largura e que focaliza no receptor os 800 watts/m² de radiação provenientes do Sol, e que o calor específico da água é 1 cal g^–1 °C^–1 = 4.200J kg^–1 °C^–1, então o comprimento linear do refletor parabólico necessário para elevar a temperatura de 1 m³ (equivalente a 1 t) de água de 20 °C para 100 °C, em uma hora, estará entre

a) 15 m e 21 m. 

b) 22 m e 30 m.

c) 105 m e 125 m. 

d) 680 m e 710 m.

e) 6.700 m e 7.150 m.

Gabarito

1. RESOLUÇÃO:

Q = I . A . t  mc = I . A . t

3,0 . 10³ . 4,0 . (40 – 20) = I . 10 . 6,0 . 10²

120 . 10³ . 20 = I . 6,0 . 10³

I = 4,0 . 10²W/m²

Resposta: D

2. RESOLUÇÃO:

Resposta: D

3. RESOLUÇÃO:

I. Incorreta. A evaporação ocorre em temperatura ambiente abaixo de 100°C.

II. Correta. A radiação solar agita os núcleos atômicos e permite a difusão das moléculas superficiais da massa de água para a atmosfera.

III. Incorreta. O aquecimento da superfície da água não promove a convecção com a massa de água mais densa e mais fria das regiões mais profundas.

Resposta: B

4. RESOLUÇÃO:

A garrafa preta absorve mais rapidamente a energia radiante do que a garrafa branca e sua taxa de variação de temperatura no aquecimento é maior.

A maior rapidez de absorção da garrafa preta é acompanhada pela maior rapidez de emissão de radiação e, por isso, sua taxa de variação da temperatura no resfriamento supera a da garrafa branca.

Resposta: E

5. RESOLUÇÃO:

(1) Verdadeira. Os corpos claros refletem a maior parte da energia radiante incidente.

(2) Falsa. O vácuo impede a transmissão de calor por condução.

No vácuo, não existe a convecção. Para evitar a saída de energia térmica por convecção, basta fechar bem a garrafa.

6. RESOLUÇÃO:

 

Resposta: D

7. RESOLUÇÃO:

Resposta: A