Qual o tipo de processo de transferência de calor não necessita de um meio para se propagar?

O calor é a energia térmica em movimento. Esta transferência de energia ocorre quando dois corpos possuem temperaturas diferentes, tendendo ao equilíbrio térmico, ou seja, a transferência de energia térmica ocorre enquanto existir a diferença de temperatura.

A energia térmica de um corpo, associada à agitação térmica, também pode ser entendida como sendo a energia cinética total de suas moléculas. Os processos pelos quais esta energia pode ser transferida são: condução, convecção e irradiação.

Um erro que encontramos em muitos livros didáticos e que já cometi muitas vezes no início do meu trabalho como professor é falar em transferência de calor. Se entendermos bem o conceito de calor, sabemos que ele não pode ser transferido já que não é uma característica ou propriedade de um corpo e sim o processo de transferência de energia.

Na condução, a energia térmica se propaga de partícula a partícula, por exemplo, quando seguramos uma barra de metal com uma de suas extremidades ligada ao fogo. Neste exemplo a energia térmica se propaga de partícula a partícula, por toda a barra até atingir a extremidade oposta.

A irradiação acontece com a propagação de energia através do espaço por ondas eletromagnéticas. Neste tipo de transferência a energia não necessita de meio material para se propagar, já que as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo. Um bom exemplo prático para este fenômeno é o forno de microondas que utiliza ondas eletromagnéticas para aquecer os alimentos. Você pode ler o texto sobre o forno de microondas para entender melhor este fenômeno.

Já a convecção ocorre com o movimento das massas de temperaturas diferentes. Vamos analisar mais um exemplo: Quando a água está sendo aquecida em uma panela. O recipiente transmite energia térmica para a parte de água que está no fundo da panela, esta parte se torna mais quente e menos densa, por este motivo esta porção sobe e a água que está mais fria desce para o fundo da panela. Este fenômeno vai se repetindo durante o tempo que a água estiver sendo aquecida, transmitindo a energia térmica por toda a panela.

A garrafa térmica é um aparelho com o objetivo de conservar a temperatura do seu conteúdo, no maior intervalo de tempo possível. Logo, as paredes dessa garrafa não devem permitir a passagem de energia térmica através delas, tornando a garrafa térmica uma ótima aplicação prática do que acabamos de estudar. Vamos entender como ela funciona.

Para evitar trocas de energia por condução, a ampola interna da garrafa é feita de vidro (mal condutor) com paredes duplas, entre as quais se faz vácuo, que quase não conduz energia térmica, já que há poucas moléculas para realizar essa tarefa. 

Para isolar a garrafa das possíveis correntes de convecção (processo que ocorre com movimento de partículas), coloca-se uma tampa bem fechada.

A troca de energia por radiação é evitada espelhando as superfícies interna e externa da ampola, assim, as ondas eletromagnéticas são refletidas, tanto do conteúdo para fora como do ambiente para dentro da garrafa. Desta maneira, a temperatura no interior da garrafa é mantida por algumas horas. O sistema não é 100% eficiente, logo, o equilíbrio térmico com o meio ambiente acontece após certo tempo.

Processos de propagação de calor

O calor se propaga sempre que há diferença de temperatura entre dois ou mais corpos.

Essa propagação ocorre sempre do corpo de maior para o de menor temperatura.

Essa transferência ocorre por três processos

Convecção térmica

Trata-se da transferência de energia térmica (calor) pela matéria em movimento devido à diferença de densidades dessa matéria.

Mais exemplos:

 As brisas litorâneas são também consequência da convecção. Durante o dia, a terra fica mais

quente, o ar que fica próximo dela se aquece e sobe, produzindo uma zona de baixa pressão, “puxando” o ar que está sobre o mar. A noite ocorre o contrário.

Inversão térmica

 A convecção térmica não ocorre no vácuo, pois necessita de um meio material para se propagar.

Condução térmica

 O calor é conduzido de um ponto a outro do corpo sem que haja deslocamento das partículas.

Explicando microscopicamente o fenômeno: a região próxima da chama tem o movimento vibratório de suas moléculas aumentado, adquirindo assim maior energia cinética, que é transferida através de choques às partículas vizinhas, que também aumentam seu movimento vibratório. Através desse transporte de energia, toda a barra é aquecida.

Informações:

A condução não ocorre no vácuo, pois ela precisa de um meio material (com matéria) para se propagar.

 Os metais são bons condutores de calor e utilizados na fabricação de aparelhos que permitem aquecer rapidamente outros corpos, principalmente os líquidos. Os metais são excelentes condutores de calor devido ao fato de possuírem os elétrons mais externos “fracamente” ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal.

 Corpos maus condutores de calor: vidro, borracha, isopor, lã, algodão, gelo, peles de alguns,

 animais, gases, cortiça,  poliestireno, fibra cerâmica (composta de Alumina e Sílica),  lã de vidro (um componente fabricado em alto forno a partir de sílica e sódio, aglomerados por resinas sintéticas), etc.

Esses maus condutores de calor (isolantes térmicos), possuem os elétrons mais externos de seus átomos firmemente ligados.

Os líquidos e gases, em geral, são maus condutores de calor.

O ar, por exemplo, é um ótimo isolante térmico.

As roupas de lã, os pelos dos animais, o isopor, a serragem são ótimos isolantes térmicos, pois

retêm o ar entre suas fibras.

A neve é outro exemplo de um bom isolante térmico. Isto acontece porque os flocos de neve são formados por cristais, que se acumulam formando camadas fofas aprisionando o ar.

A neve acumulada sobre o solo conserva a temperatura dele mais elevada do que se o chão estivesse descoberto.
Assim, em regiões agrícolas, ela protege as raízes das plantas, evitando o congelamento.

Nas regiões de montanhas, a neve é importante para manter ou engrossar o fluxo dos rios, pelo seu degelo gradual, na primavera e verão.

 No frio, a aves costumam eriçar suas penas para captar o ar entre eles e se aquecerem, ficando mais “gordinhos” e mantendo uma pequena camada de ar sobre seus corpos.

Para adaptar-se ao frio, mamíferos (como nós) e aves eriçam seus pelos ou penas (quer dizer arrepiam-se!).

Isto acontece porque o arrepio faz aumentar o isolamento térmico. Quanto mais pelos ou penas o animal tiver, melhor será esse sistema de proteção.   

Nas construções, para melhor isolamento térmico e acústico, aconselha-se utilizar paredes duplas com tijolos de cerâmica, deixando uma caixa de ar entre as paredes e colocando entre os tijolos cerâmicos uma placa composta de espuma rígida de poliestireno (isopor) que é um comprovado material isolante, sendo aplicado na construção civil visando economia energética. É também aplicado em edifícios por ser leve, resistente, fácil de operar e possuir baixo custo.

O gelo é um excelente isolante térmico. Os esquimós o utilizam para fazerem suas moradias que se denominam iglus.

Normalmente a parte interna é forrada com peles de foca, deixando o recinto bastante confortável.

A iluminação é garantida por uma janela feita ou de um bloco de gelo transparente ou de pele de foca ou de baleia.

O calor da fogueira derrete parte dos blocos, mas a água escorre e congela novamente, reforçando a vedação das paredes de gelo.

Na entrada do iglu, é construído um pequeno túnel para impedir que o vento chegue ao interior

Um mergulhador utiliza uma roupa de neoprene que evitam a perda do calor do corpo. O neoprene é formado por um tipo de borracha que contém milhares de minúsculas bolhas em seu interior.

Graças a essa característica, a água que entra na roupa não sai, logo ela é aquecida pela temperatura corporal e cria uma barreira isolante entre o mergulhador e o meio líquido no qual ele está envolto.

 Os beduínos do deserto usam roupas grossas e de lã (isolante térmicos) para que seu corpo,

durante o dia, mantenha a temperatura interna de 36,5oC e não receba calor do meio exterior que pode chegar a até 45oC e, durante a noite quando as temperaturas são muito baixas, impeçam a perda de calor para o meio externo.

Lei de Fourier

As relações acima são expressas pela lei de Fourier através da equação

A constante K é denominada de coeficiente de condutividade térmica é uma característica da natureza do material que separa os dois meios.

Normalmente o fluxo de calor é expresso em calorias por segundo (cal/s) e, como ele é proporcional a Φ (veja fórmula) seu valor é elevado para os bons condutores (por exemplo, prata, K = 0,99 cal/s.cm.oC) e baixo para os bons isolantes (por exemplo, ar, K=0,000061 cal/s.cm.oC).

Informações:

 Quando a temperatura ambiente de uma sala está, por exemplo, a 28oC, e você (temperatura de 36,5oC) coloca uma mão na maçaneta de uma porta e a outra na madeira da mesma, a maçaneta lhe parece mais fria que o metal apesar dos dois estarem a mesma temperatura, porque o metal é melhor condutor de calor, retirando mais calor de seu corpo que a madeira.

O contrário ocorreria se você estivesse numa sauna cujo ambiente, por exemplo, está a 42oC, o metal lhe parecerá mais quente pois, agora ele lhe fornece mais calor que a madeira pois é melhor condutor térmico.

Irradiação térmica

Informações:

Estufa

Estufa agrícola  

A parte absorvida fica retida no corpo sob forma de calor (energia térmica).

As radiações solares diretas (radiações de luz visíveis) não são filtradas pelos vidros ou lonas plásticas transparentes, atravessando-as (se refratando) com facilidade.

Essa luz solar carrega em si grande quantidade de energia, capaz de ser transmitida para o interior da estufa sendo retida em seu interior e superfície, aquecendo-as.

Esse processo de condução de calor é conhecido como irradiação.

Isso acontece quando a luz solar nos aquece dentro de casa, mesmo quando as janelas estão fechadas ou quando estamos dentro do carro sob o sol.
A facilidade que a radiação direta tem em atravessar a superfície de vidro ou das lonas transparentes não se repete para a parcela de energia refletida, que retorna ao ambiente externo.

O vidro ou lona transparente tem uma grande capacidade de “prender” este calor, pois são transparentes para a luz visível e opaco para as radiações infravermelhas. Por isso o interior fica mais quente que o exterior.

Quando a energia radiante atinge a superfície de um corpo uma parte é absorvida, outra refletida e outra refratada.

A parte absorvida fica retida no corpo sob forma de calor (energia térmica).

Quando a maior parte da energia é absorvida e pouca parcela é refletida ou refratada o corpo é chamado de opaco, ou seja, ele é mau refletor e mau refrator. São os corpos escuros, principalmente o negro. Todo bom absorvedor é bom emissor.

O contrário ocorre com os corpos claros e polidos, que são bons refletores de calor, maus absorventes e maus emissores.

Exemplos:

O que você deve saber, informações e dicas

 Entender e memorizar os conceitos dos três processos de propagação de calor e as informações fornecidas.

Essas correntes de convecção continuam seu movimento até toda água atingir a temperatura de 4oC (densidade máxima) quando cessam, porque toda água agora tem a mesma densidade.

Mas, se a temperatura da superfície continua diminuindo até abaixo de 0oC, a água da superfície se

congela e esse gelo isola por condução o ambiente acima da superfície da água (a menos de 0oC) das águas abaixo da mesma que estão (a 4oC).

Devido a esse fenômeno é possível a vida nas profundezas de lagos e mares, mesmo estando coberta de gelo a sua superfície.

Estufa

 A energia total emitida por radiação é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do

emissor

 Corpos escuros são bons absorventes de calor e corpos claros e polidos são bons refletores de calor.

Lei de Fourier

Efeito estufa

Ao penetrarem na atmosfera terrestre e atingirem sua superfície, parte dos raios luminosos provenientes do Sol são absorvidos e transformados em calor (cerca de 65%), outros são refletidos para o espaço, mas só parte destes chega a deixar a Terra, pois são refletidos de volta pelos chamados “Gases de Efeito Estufa” (dióxido de carbono, metano, clorofluorcarbonetos- CFCs- e óxidos de azoto), sob forma de raios infravermelhos (ondas de calor).

O efeito é benéfico ao planeta Terra, mantendo sua temperatura nas condições que propiciam a vida, pois, sem ele a temperatura na Terra seria da ordem de -20oC.

Entretanto, nos últimos anos, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera tem aumentado cerca de 0,4% anualmente; este aumento se deve à utilização de petróleo, gás e carvão e à destruição das florestas tropicais.

Esse aumento do dióxido de carbono na atmosfera permite a saída das radiações visíveis e impede a saída das radiações infravermelhas (ondas de calor), aquecendo a Terra e trazendo graves consequências para o nível dos oceanos e para o clima.

Garrafa térmica

Em uma sala fechada e isolada termicamente, uma geladeira, em funcionamento, tem, num dado instante, sua porta completamente aberta.

Antes da abertura dessa porta, a temperatura da sala é maior que a do interior da geladeira.

Após a abertura da porta, a temperatura da sala, diminui, pois quando você abre a porta da geladeira, a temperatura em seu interior é menor que a do ambiente da sala e, como o calor se transfere do corpo de maior para o de menor temperatura, inicialmente a temperatura da sala irá diminuir. 

Posteriormente, com a geladeira ligada, ela fica retirando calor de seu interior e o transferindo para o ambiente e, então a temperatura da sala irá aumentando.

Determine a relação entre as condutividades térmicas dos materiais dos dois cilindros. 

Secagem de alimentos em estufas caseiras.

Nesse processo, a umidade é retirada gradativamente devido ao fluxo de ar quente. De um modo caseiro, todos podem construir uma estufa para secagem de alimentos tal qual a desenhada a seguir.

 Explicando seu funcionamento: Denomina-se convecção térmica o processo de transferência de calor que acontece graças a movimentação de um material 

exatamente isso que acontece no exemplo mostrado 

o ar frio é aquecido na câmara de aquecimento, fica mais quente (menos denso) e sobe, passando pela câmara de secagem 

A evaporação é a passagem lenta do líquido para o gasoso, acontece mais rapidamente com o auxílio do vento (ar em movimento), principalmente, no caso, ar quente.

Têm-se três cilindros de mesmas secções transversais, de cobre, latão e aço, cujos comprimentos são, respectivamente, de 46cm, 13cm e 12cm. Soldam-se os cilindros, formando o perfil em Y, indicado na figura.

(Todos ligados em todos em formato de Y). O extremo livre do cilindro de cobre é mantido a 100ºC, e os dos cilindros de latão e aço a 0ºC. Supor que a superfície lateral dos cilindros esteja isolada termicamente. As condutibilidades térmicas do cobre, latão e aço valem, respectivamente: 0,92, 0,26 e 0,12 , expressas em cal.cm-1.s-1.ºC-1. No estado estacionário de condução, qual a temperatura da junção?

Sendo a mesma secção transversal (A é a mesma para todos)

Um automóvel possui uma mistura aquosa em seu sistema de arrefecimento.

Essa mistura é bombeada fazendo circular o calor do motor até o radiador, onde o calor é dissipado para o meio ambiente. Um motorista liga o motor desse automóvel e parte para sua viagem. Decorridos 10 minutos, ele observa, no indicador de temperatura do painel, que a mistura chega ao radiador com 90oC e permanece em torno desse valor durante a viagem. Isso ocorre porque o fluxo de calor entre dois ambientes a diferentes temperaturas é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre eles. Assim, quanto maior for a diferença de temperatura entre o radiador e o meio ambiente, maior o fluxo de dissipação de calor

Confira os exercícios com resolução comentada

Qual tipo de processo de transferência de calor não necessita de um meio para se propagar?

Qual o processo de transferência de calor não necessita de contato?

Quais tipos de processos de transferência de calor?

Qual é o processo de propagação de calor?