CONDUÇÃO E PROPAGAÇÃO DO CALOR
Setor 1202
Aula 24
Prof. Calil
O calor é uma energia “em trânsito”, ou seja, não pode ser
conservada no corpo como, acontece, por exemplo, com a
energia potencial gravitacional que fica armazenada dentro do
corpo enquanto ele estiver numa posição fora do referencial
adotado. Portanto, calor é a energia que passa, de maneira
natural, do corpo mais quente para o que está mais frio.
Fornecendo-se calor ao corpo, suas partículas ou vibram mais
intensamente (sólidos e líquidos), ou aumentam a sua velocidade
(gases). Ao contrário, ao se retirar calor do corpo ocorre uma
diminuição da vibração das suas partículas, ou uma redução na
velocidade das mesmas.
Pode-se retardar a troca de calor entre corpos, encerrando-se um deles no interior de um recipiente
especialmente construído para isso, como uma garrafa térmica, que impede que o calor do líquido colocado no seu
interior, se transfira rapidamente para o ar no exterior da garrafa.
O calor transmite-se naturalmente entre dois pontos de um corpo, ou entre dois corpos, por intermédio de
três processos:
1- CONDUÇÃO
Este tipo de transmissão do calor acontece nos sólidos, que
apresentam forte coesão entre suas partículas constituintes.
Ao se fornecer calor para uma extremidade do corpo, como
no caso o ponto A da barra da figura, as partículas desta
região passam a vibrar mais intensamente e este aumento de
movimentação vai transmitindo-se para suas partículas
próximas. Desta forma, o calor vai sendo conduzido até o final da barra em B. Existem materiais que conduzem
o calor mais rapidamente que outros. Assim o metal conduz mais rapidamente o calor que o vidro. É por esse
motivo que quando pegamos uma lata de refrigerante na geladeira, ela parece estar mais fria do que uma
garrafa que está na mesma geladeira, sendo que ambas contém o mesmo líquido com mesmo volume de
refrigerante, e ambas tendo permanecido durante o mesmo tempo no refrigerador. Qual o motivo dessa falsa
impressão, se a temperatura interna da geladeira é a mesma para a lata e para a garrafa? A resposta está na
capacidade que o metal tem para conduzir melhor o calor, do que o vidro. Ao tocar a mão, que está quente, na
lata, o metal conduz com maior velocidade o calor da mão para dentro da lata. O vidro, como demora mais
para conduzir o calor, não retira calor da mão na mesma velocidade. Portanto, a lata, pelo sentido do tato,
logo nos dá a ideia de estar mais fria que a garrafa de vidro.
Para indicar se um determinado material conduz melhor o calor do que outro, a cada um se atribui um
valor, que é uma constante própria do material, denominada coeficiente de condutividade térmica = K e
medida na prática em calorias/segundo.centimetro .grau Celsius ou no Sistema Internacional em watt/metro.kelvin.
Para se calcular como o calor se propaga por condução entre dois pontos de um sólido, criou-se uma
grandeza denominada fluxo térmico = Φ, e cuja unidade Cal/s na prática, ou J/s = Watt
│ΔQ │
(W), no SI. Na expressão temos:
Φ=
ΔQ = quantidade de calor transferida de uma face à outra do corpo, e
Δt
Δt é o tempo da transferência.
Este fluxo também pode ser calculado pela lei de Fourier:
K = coeficiente de conK x A x (T2 – T1)
dutibilidade térmica.
Φ=
A = Área da secção reta
L
do corpo.
T2 – T1 = diferença de temperatura entre as faces do corpo.
L = comprimento entre as faces.
A condução térmica tem sua aplicação prática nos isolamentos térmicos, como no caso das geladeiras de isopor, agasalhos,
paredes de fogão e geladeiras que são revestidos por lã de vidro, etc. Quando queremos aquecer
um recipiente confeccionado com vidro fino, que se fosse colocado diretamente sobre a chama
poderia se quebrar, se nós colocamos uma tela entre a chama e o recipiente, como o metal da tela
é um bom condutor de calor, ele “espalha” rapidamente o calor por toda a tela e garante um
aquecimento uniforme para o recipiente. A chama não ultrapassa a tela, pois a temperatura acima
da tela não é elevada, devido à rápida propagação do calor.
2- Convecção
É a forma pela qual o calor se propaga nos líquidos e gases, como ocorre na água e no ar. Nos líquidos, a
porção que se encontra próxima da chama se aquece. Seu volume = V tende a aumentar, o que ocasiona uma
diminuição da densidade (d = M/V). Ficando menos denso, essa porção sobe, e o líquido mais frio que se
encontra na superfície, sendo mais denso, desce, formando as “correntes de convecção” (ver figura). No ar,
acontece a mesma coisa, com o ar quente subindo e o ar frio descendo.Em certos no fenômenos atmosféricos,
como o causado pelo efeito El Niño, a água do mar no Equador terrestre é mais aquecida. O ar em contato
com o mar se aquece e sobe, deslocando-se por convecção para as áreas mais frias, como na região sul do
continente, ocasionando mudanças climáticas severas. Também o movimento alternado do ar entre o mar e
a terra, se dá em função das correntes de convecção. De dia, a areia da praia fica mais quente do que a água
do mar, e o ar sobre a areia, que é mais aquecido, sobe. O
ar sobre o mar, mais frio, ocupa a posição deste ar quente,
soprando então uma brisa do mar para a praia. A noite, a
areia esfria mais rapidamente que o mar, e o ar sobre o
mar, mais aquecido, sobe. Então o ar frio da praia ocupa o
lugar do ar mais quente do mar. Sopra a brisa da praia
para o mar.
Na geladeira também se observa as correntes de
convecção. Por esse motivo o congelador, no qual o ar é
mantido a temperatura baixa, fica na parte de cima. Mais
denso ele desce, enquanto o ar aquecido pelo calor dos
alimentos, sobe. Não se deve impedir a circulação do ar,
forrando as prateleiras que são grades, para permitir a circulação do ar. Os freezers horizontais, comuns nos
supermercados, podem ficar abertos, pois o ar frio, mais denso, fica sempre na parte de baixo do freezer, em
contato com os alimentos.
3- IRRADIAÇÃO
É a propagação do calor realizada por intermédio de ondas eletromagnéticas no vácuo, ou quando não
existe contato entre os corpos que trocam calor.
entre si.
Os elétrons que estão vibrando no corpo quente
transmitem essas vibrações para os elétrons do
corpo frio, sem a necessidade de existir um meio
material entre os corpos.
Quando aproximamos as mãos de uma fogueira como mostrado na figura, sentimos o calor que emana da
mesma. Este calor não está sendo transmitido por contato da mão com o fogo, e nem por convenção, pois o
ar quente sobe. O calor chega até a nossa mão por irradiação. Também é desta maneira que o calor do Sol
chega até à Terra. Por isso dizemos que a fogueira e o Sol “irradiam” calor.
As estufas usam a irradiação térmica. Elas são confeccionas de vidro, que é “atérmico”, ou
seja, não deixa passar os raios infravermelhos. A luz irradiada pelo Sol entra na estufa e é
absorvida pelas plantas. Estas irradiam de volta, à noite, esta energia, que não consegue
atravessar o vidro, e, portanto quase nada se perde de calor durante o período noturno,
onde o meio externo fica mais frio.
O conhecido “Efeito estufa” que acontece nas cidades que apresentam alta poluição do ar, é
semelhante ao que acontece nas estufas de plantas. O ar sobre a cidade, saturado de água
e dióxido de carbono funciona como o vidro atérmico, impedindo que o calor recebido do
Sol durante o dia, volte para atmosfera à noite. Com isso, a temperatura média do planeta
tende a se elevar, produzindo um acelerado degelo das calotas polares, aumentando o nível dos oceanos.
Um equipamento que conserva o calor por um bom tempo é a garrafa térmica, que evita a transmissão do calor do corpo que está
no seu interior (normalmente no estado líquido), evitando a ocorrência dos três processos
estudados. O vácuo que existe entre as paredes, não tendo moléculas, evita a condução do calor. As
paredes espelhadas evitam a propagação por irradiação (o calor incide na parede e retorna por
reflexão). Sendo a garrafa confeccionada com o vidro, que é mau condutor de calor, evita que o
calor suba, sendo conduzido pelas paredes, não existindo as correntes de convecção. Por isso a
garrafa térmica é lembrada como exemplo de calorímetro que é o equipamento utilizado para se
estudar as trocas de calor entre corpos.