Falar a respeito do tema calor ainda pode trazer confusão para algumas pessoas. Em termologia, calor está ligado à transferência de energia térmica de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura, ou seja, calor é a energia em trânsito. Para melhor assimilação, vamos ao seguinte exemplo:
Vamos imaginar que, em um sistema isolado (dentro de uma caixa de isopor, por exemplo), foram colocados dois objetos. O objeto A, à temperatura de 200°C; e o objeto B, à temperatura de 20ºC. De acordo com a lei zero da termodinâmica, com o passar do tempo, a temperatura do objeto A diminui enquanto que a temperatura do objeto B aumenta, até que ambos atinjam a mesma temperatura, ficando em equilíbrio térmico. A energia que se transferiu do objeto A para o objeto B é chamada de calor ou energia térmica.
Tópicos deste artigo
- 1 - Mapa Mental: Calor
- 2 - Transmissão de Calor
- 3 - Condução
- 4 - Convecção
- 5 - Irradiação
Mapa Mental: Calor
*Para baixar o mapa mental em PDF, clique aqui!
Transmissão de Calor
Para que ocorra troca de calor, é necessário que ele seja transferido de uma região a outra através do próprio corpo, ou de um corpo para outro. Existem três processos de transferência de calor estudados na termologia, são eles: condução, convecção e irradiação. A irradiação é a propagação de ondas eletromagnéticas que não precisam de meio para se propagar, enquanto que a condução e a convecção são processos de transferência que necessitam de um meio material para se propagar.
Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;)
Condução
Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de condução de calor é denominado condução. No caso dos metais, além da transmissão de energia de átomo para átomo, há a transmissão de energia pelos elétrons livres, ou seja, são os elétrons que estão mais afastados do núcleo e que são mais fracamente ligados aos núcleos, portanto, esses elétrons, colidindo entre si e com átomos, transferem energia com bastante facilidade. Por esse motivo, o metal conduz calor de modo mais eficiente do que outros materiais.
Convecção
Da mesma forma que o metal, os líquidos e os gases são bons condutores de calor. No entanto, eles transferem calor de uma forma diferente. Esta forma é denominada convecção. Esse é um processo que consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido. Por exemplo, vamos considerar uma vasilha que contenha água à temperatura inicial de 4°C. Sabemos que a água acima de 4ºC se expande, então ao colocarmos essa vasilha sobre uma chama, a parte de baixo da água se expandirá, tendo sua densidade diminuída e, assim, de acordo com o Princípio de Arquimedes, subirá. A parte mais fria e mais densa descerá, formando-se, então, as correntes de convecção. Como exemplo de convecção temos a geladeira, que tem seu congelador na parte de cima. O ar frio fica mais denso e desce, o ar que está embaixo, mais quente, sobe.
Irradiação
Podemos dizer que a irradiação térmica é o processo mais importante, pois sem ela seria praticamente impossível haver vida na Terra. É por irradiação que o calor liberado pelo Sol chega até a Terra. Outro fator importante é que todos os corpos emitem radiação, ou seja, emitem ondas eletromagnéticas, cujas características e intensidade dependem do material de que é feito o corpo e de sua temperatura. Portanto, o processo de emissão de ondas eletromagnéticas é chamado de irradiação. A garrafa térmica é um bom exemplo de irradiação térmica. A parte interna é uma garrafa de vidro com paredes duplas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor por condução. As partes interna e externa da garrafa são espelhadas para evitar a transmissão de calor por irradiação.
Por Domiciano Marques
Graduado em Física
*Mapa Mental por
Rafael Helerbrock
Mestre em Física
O efeito Joule é um fenômeno físico que consiste na conversão de energia elétrica em calor. Esse fenômeno ocorre quando algum corpo é atravessado por uma corrente elétrica. As constantes colisões que ocorrem entre os elétrons e os átomos que compõem a estrutura cristalina do corpo fazem com que sua temperatura aumente, fazendo com que parte da energia elétrica contida nos portadores de carga seja convertida em calor.
Veja também: Qual é a velocidade da corrente elétrica?
Tópicos deste artigo
- 1 - Fórmula do efeito Joule
- 2 - Utilidades do efeito Joule
- 3 - Riscos relacionados ao efeito Joule
- 4 - Experimento sobre efeito Joule
- 5 - Exercícios sobre efeito Joule
Fórmula do efeito Joule
A partir da lei de Joule, é possível calcular a quantidade de calor dissipada por um condutor que é atravessado por uma corrente elétrica. Para fazermos uso dessa lei, é necessário que a resistência elétrica do material seja constante, bem como a corrente elétrica que o atravessa.
Q – calor (J ou cal)
i – corrente elétrica (A)
R – resistência elétrica (Ω)
t – intervalo de tempo (s)
A fórmula apresentada mostra que a quantidade de calor que é dissipada é diretamente proporcional ao quadrado da corrente elétrica multiplicado pela resistência elétrica e pelo intervalo de tempo em que a corrente demorou a atravessar o corpo.
Veja também: Descobertas da Física que aconteceram por acidente
Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;)
Utilidades do efeito Joule
Graças ao efeito Joule, é possível converter energia elétrica em calor, como fazemos em:
- chuveiros,
- panelas elétricas,
- churrasqueiras elétricas,
- ferros de passar etc.
O efeito Joule ocorre em qualquer material, condutor ou isolante, que apresente resistência elétrica não-nula.
Esse fenômeno é mais expressivo em materiais isolantes, cujas resistências elétricas são geralmente mais elevadas. Entretanto, quando os materiais isolantes são percorridos por correntes elétricas intensas, é possível que surjam neles defeitos irreparáveis em razão do grande aumento de temperatura.
Riscos relacionados ao efeito Joule
Os principais riscos relacionados ao efeito Joule são decorrentes do aumento de temperatura. Em instalações elétricas, deseja-se que fios condutores e outros aparelhos eletrônicos operem em temperaturas seguras, no entanto, fatores como instalações malfeitas, presença de umidade, poeira em excesso, fios descascados e a oxidação de componentes eletrônicos podem fazer com que suas resistências elétricas aumentem, levando à maior dissipação de calor, desse modo, aumentam-se as possibilidades de ocorrência de incêndios, por exemplo.
Veja também: Tudo sobre Calorimetria
Experimento sobre efeito Joule
Existem experimentos de baixo custo e bastante acessíveis que podem ser feitos em sala de aula para evidenciar a existência do efeito Joule. Um deles consiste em encostar os terminais de uma bateria de 9 V em um pedaço de palha de aço.
Quando tocamos a palha de aço aos terminais da bateria, forma-se uma corrente elétrica, desse modo, inicia-se o processo de aquecimento. Rapidamente, as temperatura da palha de aço aumenta até que ela fique incandescente.
Atenção: esse experimento pode causar queimaduras e incêndios, só realize-o na presença de pais ou responsáveis.
Exercícios sobre efeito Joule
Questão 1) Um fio condutor de resistência elétrica igual a 0,5 Ω é percorrido por uma corrente elétrica de 2,0 A durante um intervalo de tempo de 2,0 minutos. Determine a quantidade de calor dissipada por esse fio em joules.
a) 240 J
b) 4 J
c) 400 J
d) 40 J
e) 120 J
Gabarito: Letra A
Resolução:
Para calcularmos a quantidade de calor dissipada, é necessário utilizar a lei de Joule:
Questão 2) Em relação ao efeito Joule, assinale o que for correto.
a) O efeito Joule só ocorre em altas temperaturas.
b) O efeito Joule surge devido às colisões entre os portadores de carga e os átomos que compõem a rede cristalina do material.
c) É possível controlar a perda de energia pelo efeito Joule aumentando-se a intensidade da corrente elétrica.
d) A quantidade de calor que é dissipada pelo efeito Joule é inversamente proporcional à resistência elétrica do material.
e) Materiais condutores não estão sujeitos ao efeito Joule.
Gabarito: Letra B
Resolução:
Vamos analisar as respostas:
a) FALSO – o efeito Joule pode ocorrer em qualquer temperatura, no entanto, esse efeito aumenta em regimes de altas temperaturas.
b) VERDADEIRO
c) FALSO – a quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente elétrica.
d) FALSO - a quantidade de calor dissipada pelo efeito Joule é diretamente proporcional ao módulo da resistência elétrica.
e) FALSO – todos os materiais que tiverem resistência elétrica estão sujeitos ao efeito Joule.
Questão 3) Um fio condutor é percorrido por uma corrente elétrica de 0,5 A durante 30 s. Sendo a resistência elétrica desse fio igual a 0,8 Ω, a quantidade de calorias liberadas pelo fio durante esse intervalo de tempo, em decorrência do efeito Joule é igual a
Dados: 1 cal = 4 J
a) 15,0 cal.
b) 12,0 cal.
c) 1,5 cal.
d) 6,0 cal.
e) 4,5 cal.
Gabarito: Letra C
Resolução:
Utilizaremos a lei de Joule para calcularmos a quantidade de calor que é dissipada pelo fio condutor:
De acordo com o cálculo realizado, a quantidade de calor que é dissipada por esse fio condutor é de 1,5 cal, portanto, a alternativa correta é a letra C.
Por Me. Rafael Helerbrock