TRANSMISSÃO DE CALOR

 Transmissão de Calor

1. 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.

2. 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.

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.

 

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

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 (f) através da placa como sendo o quociente da quantidade de calor que a atravessa e o 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 f é proporcional à área S da placa, à diferença de temperatura Dq entre os meios (1) e (2) que ela separa, e é inversamente proporcional à espessura L da placa, podendo ser escrita a relação:

 

em que C é uma constante de proporcionalidade característica do material que constitui a placa, chamada coeficiente de condutibilidade térmica.

Notemos que, para S,  e L iguais, quanto maior for C, maior será o fluxo de calor. Portanto:

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

Ex.: 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.

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

3. Convecção

Suponha uma sala em que se ligue um aquecedor elétrico em sua parte inferior.

O ar em torno do aquecedor aquece-se, tornando-se menos denso que o restante. Com isso, ele sobe e o ar frio desce, havendo uma troca de posição do ar quente que sobe com o ar frio que desce. A este movimento de massas de fluido chamamos convecção e as correntes de ar formadas são correntes de convecção.

Dessa forma, podemos dizer que convecção são movimentos de massas fluidas (líquidos, gases e vapores) que trocam de posição. Notemos que a convecção não pode ocorrer no vácuo nem nos sólidos.

A convecção pode ser natural, quando é ocasionada por diferença de densidade (graças à diferença de temperatura) entre as massas de fluido, ou forçada, quando é ocasionada por bombas ou ventiladores.

Exemplos ilustrativos

I) Aparelho de Ar-condicionado e Aquecedor Elétrico

O aparelho de ar-condicionado deve ser colocado na parte superior da parede da sala.

No inverno, o ar aquecido pelo aquecedor elétrico deve ser produzido na parte inferior da sala.

 

II) Brisas litorâneas

À beira-mar, a areia, tendo calor específico muito menor que o da água, aquece-se mais rapidamente que a água durante o dia e resfria-se mais rapidamente durante a noite.

Assim, temos:

Durante o dia: O ar próximo da areia fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da água para a terra. É o vento que, durante o dia, sopra domar para a terra.

Durante o dia, as brisas sopram do mar para a terra.

Durante a noite, as brisas sopram da terra para o mar.

 

Durante a noite: O ar próximo da superfície da água resfria-se menos que o restante. Com isso, ele fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da terra para a água. É o vento que, durante a noite, sopra da terra para o mar.

4. Radiação

É o processo de transmissão de calor através de 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). Ex.: 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). Ex.: parede de tijolo.

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 g etc., pode converter-se em energia térmica por absorção. Entretanto, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor ou radiações caloríficas.

5. Geladeira Doméstica

Nas geladeiras domésticas, os alimentos são resfriados pelo ar frio que desce devido à convecção. As prateleiras são feitas como grades (e não inteiriças) para permitir a convecção de ar dentro da geladeira.

 

Nas geladeiras domésticas, o congelador está sempre colocado na parte superior para que, através da convecção do ar, produza o resfriamento dos alimentos. O ar “quente" que está próximo dos alimentos sobe, sendo resfriado pelo congelador e, agora, o ar “frio" desce para retirar energia térmica dos alimentos, resfriando-os.  Para que a convecção do ar possa ocorrer, as prateleiras são grades vazadas. A dona de casa não deve cobrir essas prateleiras para não prejudicar a convecção do ar no interior da geladeira.

6. 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.

Exercícios Propostos

1. (UNICAMP-2018-MODELO ENEM) – Mesmo em manhãs bem quentes, é comum ver um cão tomando sol. O pelo do animal esquenta e sua língua do lado de fora sugere que ele está cansado. O pelo do animal está muito quente, mas mesmo assim o cão permanece ao sol, garantindo a produção de vitamina D3. Durante essa exposição ao sol, ocorrem transferências de energia entre o cão e o ambiente, por processos indicados por números na figura abaixo.

(Adaptado de KHAN ACADEMY, Endotherms and ectotherms. Disponível em www.khanacademy.org. Acessado em 26/07/17.)

 

Em ordem crescente, os números correspondem, respectivamente, aos processos de

a) convecção, evaporação, radiação, condução e radiação.

b) convecção, radiação, condução, radiação e evaporação.

c) condução, evaporação, convecção, radiação e radiação.

d) condução, radiação, convecção, evaporação e radiação.

e) condução, radiação, evaporação, convecção e radiação.

2. (VUNESP-FMJ-2018-MODELO ENEM) – O fluxo de calor () através de uma parede condutora que separa duas regiões, A e B, é definido pela relação  em que Q é a quantidade de calor que passa pela parede em um intervalo de tempo t. Segundo a Lei de Fourier, esse mesmo fluxo é dado por

em que S é a área da secção transversal da parede,  é a sua espessura, (_A – _B) é a diferença de temperatura entre um lado e o outro da parede e k é o coeficiente de condutividade térmica do material dessa parede.

No Sistema Internacional de Unidade, o coeficiente de condutividade térmica pode ser expresso na unidade

a) kg . m² . s^–3 K^–1

b) kg . m . s^–3 . K^–1

c) (kg)² . m⁶ . s^–5 . K^–1

d) (kg)² . m³ . s^–5 K

e) (kg)^–1 . m^–1 . s⁴ . K

3. (FUVEST-2018-MODELO ENEM) – Um fabricante de acessórios de montanhismo quer projetar um colchão de espuma apropriado para ser utilizado por alpinistas em regiões frias. Considere que a taxa de transferência de calor ao solo por uma pessoa dormindo confortavelmente seja 90kcal/hora e que a transferência de calor entre a pessoa e o solo se dê exclusivamente pelo mecanismo de condução térmica através da espuma do colchão. Nestas condições, o gráfico representa a taxa de transferência de calor, em J/s, através da espuma do colchão, em função de sua espessura, em cm.

Considerando-se 1 cal = 4 J, a menor espessura do colchão, em cm, para que a pessoa durma confortavelmente é

a) 1,0

b) 1,5

c) 2,2

d) 2,8

e) 3,9

4.  2017 – O aproveitamento da luz solar como fonte de energia renovável tem aumentado significativamente nos últimos anos. Uma das aplicações é o aquecimento de água (ρágua = 1,0kg/L) para uso residencial. Em um local, a intensidade da radiação solar efetivamente captada por um painel solar com área de 1,0m2 é de 0,03kW/m2. O valor do calor específico sensível da água é igual 4,2 kJ/(kg°C).

Nessa situação, em quanto tempo é possível aquecer 1,0 litro de água de 20°C até 70°C?

a) 490s

b) 2800s

c) 6300s

d) 7000s

e) 9800s

5. (INSPER-2018-MODELO ENEM) – Após seu uso primário, as caixas de embalagens longa vida, que garantem a durabilidade e a qualidade do leite e de outros produtos, podem deixar de ser lixo e passar a ser material de construção para o isolamento térmico de telhados. Depois de abertas, limpas e coladas, elas são postas sob as telhas formando uma manta.

(celuloseonline.com.br)

 

Para se obter a maior eficiência dessa manta como isolante térmico, deve-se posicioná-la com a face revestida de alumínio voltada para

a) cima e distante cerca de 2cm das telhas.

b) baixo e distante cerca de 2cm das telhas.

c) baixo e colada nas telhas.

d) baixo e deitada sobre a laje horizontal.

e) cima e deitada sobre a laje horizontal.

Gabarito

1. RESOLUÇÃO:

1) No contato entre o animal e o solo, a transmissão de energia térmica ocorre por condução.

2) A evaporação dos líquidos bucais do cão é um processo endotérmico, que retira calor especial mente da língua do animal.

3) A energia térmica emanada do corpo do animal aquece o ar próximo, o que provoca o surgimento de correntes de convecção.

4) Energia radiante proveniente principalmente do Sol atinge o corpo do cão em forma de ondas eletromagnéticas. Isso caracteriza a radiação.

5) O corpo do cão libera ondas de calor (infraver melho), o que também caracteriza radiação.

Resposta: C

 

2. RESOLUÇÃO:

 

3. RESOLUÇÃO:

 

4. RESOLUÇÃO:

5. RESOLUÇÃO:

A face revestida de alumínio voltada para cima minimiza a entrada do calor por radiação e a camada de ar, entrada por condução.

Resposta: A