Transmissão de calor – Aplicações
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. Por que, nos desertos, a temperatura diurna pode chegar a ultrapassar 40°C, enquanto a noturna pode atingir valores inferiores a –20°C? |
1. A Física e o cotidiano
Estufas
Uma estufa é uma construção de vidro que mantém o seu interior aquecido mesmo estando o meio externo a baixas temperaturas. O vidro, como o CO2, é transparente à luz visível e praticamente opaco às radiações térmicas (infravermelho). Além disso, o vidro impede que o ar quente do interior da estufa escape por convecção térmica.
2. A Física e o mundo
A transmissão de calor e os ambientes geográficos
A inversão do sentido das brisas litorâneas depende dos seguintes fatores:
- Diferença de calor específico sensível da areia (0,20cal/g°C) e da água (1,0cal/g°C): a água requer mais tempo para aquecer-se durante o dia e para resfriar-se durante a noite.
- A massa de areia que troca calor com a atmosfera restringe-se a uma camada superficial de aproximadamente 30cm de espessura, enquanto a massa de água é aquecida numa profundidade muito maior (a água é transparente à passagem da radiação).
- Parte do calor recebido durante o dia pela água serve para vaporizá-la à noite; parte do calor liberado durante a noite pela água promove sua condensação sem ocorrer, nos dois casos, variação da temperatura.
Parte da energia proveniente do Sol é refletida nas camadas superiores da atmosfera (30%), cerca de 0,1% é fixado pelas plantas, constituindo a maior parte da energia disponível para os seres vivos. A energia restante é absorvida por solo, vegetais, vapor-d’água e reemitida para o espaço, na forma de radiação infravermelha.
Durante o dia, ocorre a absorção e a emissão da energia proveniente do Sol; como a absorção é maior do que a emissão, a Terra se aquece. Durante a noite, ocorre apenas a emissão da radiação, e a Terra se esfria.
A presença da umidade no ar diminui o aquecimento durante o dia, uma vez que parte da energia é gasta na evaporação das gotículas de água. De forma semelhante, durante a noite o resfriamento é diminuído pela liberação do calor de condensação do vapor-d’água, que poderá precipitar-se como “sereno" e orvalho.
Como os desertos não possuem, em geral, vegetação, rios ou mares, o ar é muito seco e toda a radiação solar é absorvida diretamente pelo solo durante o dia e reemitida durante a noite.
Efeito estufa: um alerta para o controle da poluição
O efeito estufa: alguns materiais têm o que se pode chamar de “transparência seletiva", ou seja, são transparentes a radiações de certa frequência e opacos a outras. O gás carbônico (CO2) tem tal propriedade: ele é transparente à luz visível e opaco ao infravermelho ou radiação térmica.
A quantidade de CO2 misturada na atmosfera durante muito tempo foi a ideal para a manutenção do equilíbrio ecológico no planeta. Se fosse menor, a Terra irradiaria muito calor para o espaço, resfriando-se; porém, se a quantidade de CO2 fosse maior, a energia térmica se acumularia aquecendo o planeta. Nas últimas décadas, o ser humano tem aumentado apreciavelmente a concentração de CO2 na atmosfera, principalmente pela queima de hidrocarbonetos (petróleo, gás natural etc.), além de provocar um sério desequilíbrio no meio ambiente, destruindo os organismos responsáveis pelo reaproveitamento do gás carbônico.
Os organismos responsáveis pelo reaproveitamento da matéria são os fungos e as bactérias.
Como resultado do aumento da concentração de CO2 na atmosfera, a temperatura média do planeta poderá aumentar de maneira alarmante, o que provocará danos terríveis à Terra. A tal fenômeno dá-se o nome de efeito estufa.
3. A Física e o laboratório
Garrafa térmica
Garrafa térmica ou vaso de Dewar é um dispositivo utilizado para manter inalterada a temperatura do seu conteúdo, no maior intervalo de tempo possível.
Para tanto, as paredes dessa garrafa não devem permitir a passagem de calor através delas.
Como a energia térmica se pode propagar por condução, convecção e radiação, foram usados os seguintes artifícios para evitar que o conteúdo sofra alteração em sua temperatura:
1. Para evitar trocas de calor por condução, o conteúdo da garrafa foi envolto em vácuo. Para tanto, ela é fabricada com parede dupla de vidro (péssimo condutor), com vácuo entre elas.
2. Para evitar trocas de calor por convecção (processo que exige trocas de partículas), deve-se manter a tampa da garrafa bem fechada.
3. Para evitar trocas de calor por radiação, as paredes são espelhadas em ambas as faces; assim, as ondas eletromagnéticas, entre as quais as radiações infravermelhas, refletem-se no “espelho" e retornam ao meio de origem.
Esse sistema não é perfeito; assim, após algum tempo (algumas horas) o conteúdo da garrafa térmica entra em equilíbrio térmico com o meio ambiente.
4. A Física e a evolução de seus conceitos
Exercícios Propostos
1. (UNESPAR) – Sabemos por definição que “calor é a energia térmica que se transfere entre corpos em temperaturas diferentes". Sabemos também que existem três formas de ocorrer essa troca de energia: condução, convecção e irradiação. Com relação a isto, julgue os itens a seguir em (V) para as afirmativas verdadeiras e (F) para as falsas, depois assinale a alternativa que traz a sequência correta:
( ) Na irradiação, para que a energia térmica se propague, é necessário existir um meio material.
( ) A condução acontece quando a troca de energia térmica é feita sem a presença de um meio material.
( ) A convecção é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica se propaga em meios fluidos (líquidos e gases) através de correntes de convecção.
( ) A forma como ocorre a refrigeração de uma geladeira é um exemplo de condução.
( ) Sentimos o calor do Sol devido às radiações eletromagnéticas que ele emite e que atravessam o vácuo existente entre o Sol e a Terra; isto é um exemplo de irradiação.
a) F V F F V;
b) F F V F V;
c) V F V F V;
d) F F V V V;
e) V V F V F.
2. (UNICAMP-MODELO ENEM) – Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível. Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido.
I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar o fluxo de energia térmica até o congelador por […].
II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por […].
III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por […].
Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são:
a) condução, convecção e radiação.
b) condução, radiação e convecção.
c) convecção, condução e radiação.
d) convecção, radiação e condução.
e) condução, condução e condução.
3. (UNICID) – Na Lua não há atmosfera, ou seja, não há gases próximos à superfície, tampouco substâncias no estado líquido. Dessa forma, o calor pode propagar-se apenas por
a) irradiação e condução.
b) convecção.
c) convecção e irradiação.
d) condução.
e) condução e convecção.
4. 
As altas temperaturas de combustão e o atrito entre suas peças móveis são alguns dos fatores que provocam o aquecimento dos motores de combustão interna. Para evitar o superaquecimento e consequentes danos a esses motores, foram desenvolvidos os atuais sistemas de refrigeração, em que um fluido arrefecedor com propriedades especiais circula pelo interior do motor, absorvendo o calor que, ao passar pelo radiador, é transferido para a atmosfera.
Qual propriedade o fluido arrefecedor deve possuir para cumprir seu objetivo com maior eficiência?
a) Alto calor específico sensível.
b) Alto calor latente de fusão.
c) Baixa condutividade térmica.
d) Baixa temperatura de ebulição.
e) Alto coeficiente de dilatação térmica.
5. (UEPA-PA) – O efeito estufa é um fenômeno natural, característico de planetas onde existe atmosfera. Ele acontece na atmosfera da Terra e também na de Vênus, onde o efeito é muito acentuado e a temperatura alcança valores de cerca de 460°C. Embora importante para a manutenção da vida no planeta, hoje é uma preocupação para muitos ambientalistas e cientistas. Com base em seus conhecimentos sobre o efeito estufa, analise as seguintes afirmativas.
I. Existem materiais, como o vidro, que permitem a passagem de luz, mas dificultam a passagem da radiação térmica. Numa estufa com cobertura de vidro, por exemplo, parte da luz que entra é ab sorvida pelas plantas. Estas, sendo aquecidas, emitem radiação infravermelha, que tem dificuldade para atravessar o vidro e aquece o interior da estufa. Este efeito é semelhante ao que acontece na atmosfera da Terra, daí o nome “efeito estufa"
II. O efeito estufa é importante porque retém o calor na Terra, possibilitando a vida de animais e vegetais. Sua intensificação é que é danosa, ocasionando o aumento da temperatura do planeta. Como consequência disto, entre outras coisas, parte da Ilha de Marajó poderá ser inundada e os furacões no Caribe poderão ser mais frequentes e devastadores.
III. No efeito estufa, a radiação solar atravessa a atmosfera, parte é absorvida pela Terra e parte é refletida. Uma parcela da radiação absorvida é reemitida na forma de raios ultravioleta (ondas de calor), que tem pequeno comprimento de onda, dos quais uma pequena parte é absorvida, principalmente por gás carbônico, vapor d’água e metano, nas altas camadas atmosféricas, criando um manto quente na superfície da Terra.
IV. Na Lua, não há ocorrência de efeito estufa, em virtude de não existir atmosfera. Isto é uma das causas das temperaturas no nosso satélite variarem entre –150°C durante a noite e 100°C durante o dia.
Estão corretas somente as afirmativas:
a) I, II e IV
b) I , II e III
c) I, III e IV
d) I e II
e) II e IV
6. O Painel lntergovernamental de Mudanças Climáticas (na sigla em inglês, IPCC) prevê que nas próximas décadas o planeta passará por mudanças climáticas e propõe estratégias de mitigação e adaptação a elas. As estratégias de mitigação são direcionadas à causa dessas mudanças, procurando reduzir a concentração de gases de efeito estufa na atmosfera. As estratégias de adaptação, por sua vez, são direcionadas aos efeitos dessas mudanças, procurando preparar os sistemas humanos às mudanças climáticas já em andamento, de modo a reduzir seus efeitos negativos.
IPCC, 2014. Climate Change 2014: synthesis report. Disponível em:http://ar5-syr.ipcc.ch. Acesso em: 22 out. 2015 (adaptado).
Considerando as informações do texto, qual ação representa uma estratégia de adaptação?
a) Construção de usinas eólicas.
b) Tratamento de resíduos sólidos.
c) Aumento da eficiência dos veículos.
d) Adoção de agricultura sustentável de baixo carbono.
e) Criação de diques de contenção em regiões costeiras.
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
Falsa. A irradiação pode ocorrer no vácuo.
Falsa. A condução ocorre, apenas, nos meios sólidos, líquidos e gasosos, que são constituídos por partículas.
Verdadeira. A convecção ocorre pela troca de posição de massas quentes que sobem e frias que descem, por diferença de densidade em campos gravitacionais, como ocorre com o ar atmosférico.
Falsa. A convecção é o principal processo de refrigeração da geladeira.
Verdadeira. O Sol irradia ondas de infravermelho com mais intensidade que a Terra e, por isso, aquece nosso planeta à distância através do vácuo.
Resposta: B
2. RESOLUÇÃO:
I. As prateleiras da geladeira são, em geral, grades vazadas para permitir a livre circulação das correntes de convecção. Ar frio, mais denso, desce e ar mais quente, menos denso, sobe.
II. A radiação consiste na transmissão de energia térmica por meio de ondas eletromagnéticas – infravermelho – que, uma vez absorvidas, provocam aumento na agitação das partículas, o que implica aumento da temperatura do corpo. A radiação é o único processo de transmissão de calor que pode ocorrer no vácuo.
III. A condução é o processo de transmissão de calor que consiste na propagação da energia térmica de molécula para molécula de um meio material. Por se valer de matéria para ocorrer, a condução não ocorre no vácuo.
Resposta: D
3. RESOLUÇÃO:
A ausência de atmosfera impede a transmissão de calor por convecção, permitindo apenas a transmissão por condução nos sólidos e por radiação, que pode, também, ocorrer no vácuo.
Resposta: A
4. RESOLUÇÃO:
O líquido de arrefecimento do motor deve ter alto calor específico sensível para absorver muito calor e variar pouco sua temperatura, evitando-se o risco de ocorrer-lhe a ebulição.
Resposta: A
5. RESOLUÇÃO:
I. Verdadeira.
II. Verdadeira.
III. Falsa. As ondas de calor são as radiações infravermelhas e não as ultra violeta.
IV. Verdadeira.
Resposta: A
6. RESOLUÇÃO:
O aumento dos gases de efeito estufa provoca a elevação da temperatura da atmosfera e o der reti mento do gelo sobre os continentes, o que eleva o nível dos oceanos, podendo inundar as regiões costeiras.
Uma estratégia de adaptação a essa nova realidade envolve a construção de diques de contenção em regiões costeiras.
As demais estratégias são elementos de mitigação.
Resposta: E
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