Calor e a sua propagação

PROCESSOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR

A transferência espontânea de calor sempre ocorre de um objeto mais quente para outro mais frio e pode ocorrer de apenas três maneiras: condução, convecção e irradiação.

Observação: Frequentemente ouvimos as pessoas dizerem para fechar porta e evitar entrar o frio. Do ponto de vista físico, essa afirmação não faz sentido. Uma maneira mais adequada de se expressar seria fechar a porta para impedir o calor de escapar.

CONDUÇÃO

Se você colocar a ponta de uma colher metálica sobre a chama de um fogão e segurar na outra, perceberá em algum momento a colher quente demais para continuar segurando. De maneira simplificada, o calor entra numa ponta da colher, percorre toda a sua extensão e sai pela outra. Essa forma de transmissão de calor é chamada de condução e ocorre principalmente nos materiais sólidos. Para que esse processo aconteça, é preciso um meio material, ou seja, ela não ocorre no vácuo.

Transmissão de calor por condução

A chama faz com que as partículas da extremidade aquecida movam-se mais intensamente. Dessa forma, elas colidem com maior frequência com outras adjacentes, transferindo energia por meio dessas colisões. Nos materiais metálicos, os elétrons livres, capazes de se mover livremente na rede cristalina, transferem rapidamente energia da área quente para a fria. Por isso, os metais são, em geral, bons condutores de calor. Apesar disso, as partículas não se deslocam junto da energia.

A sensação de quente ou frio em diferentes materiais, envolve a taxa com a qual o calor é transferido para o nosso corpo. Por exemplo, encoste agora com uma das mãos na parte de madeira ou plástico da sua cadeira. Com a outra mão, na parte metálica. Qual delas parece mais “gelada”? Como você justifica essa diferença se ambos se encontram na mesma temperatura? Isso ocorre porque o metal é melhor condutor que a madeira, isolante, e transfere mais facilmente o calor entre o metal e a sua mão.

LEI DE FOURIER

O calor é transmitido sempre espontaneamente da região de maior temperatura para a menor. No equilíbrio, ou seja, com as temperaturas T₁ e T₂ constantes, cada seção da barra apresentará temperatura constante que varia linearmente com o comprimento. Assim o fluxo de calor é o mesmo em qualquer ponto da barra.

A taxa de transferência pode ser calculada a partir da lei de Fourier, como vista a seguir:

Onde:

φ é o fluxo ou potência térmica. Sua unidade SI é W (watt)

A é área da seção reta do material

∆T é a diferença de temperatura entre as duas extremidades

d é a espessura (comprimento) da barra.

k é a condutividade térmica, que só depende do material do condutor. Sua unidade SI é ^W/_m·K.

Fluxo de calor constante produzido pela condução de calor

CONVECÇÃO

Os líquidos e gases, também chamados de fluídos, transmitem calor principalmente pela convecção, em que o calor é transferido pelo próprio deslocamento do fluído. Ela ocorre pelas correntes de convecção, que podem ser formadas principalmente de duas maneiras:

Convecção livre ou natural: causado pela diferença de densidade provocada por uma diferença de temperatura. O fluído mais quente apresenta tendência a subir, e o frio, a descer.

Convecção forçada: causado pelo impulsionamento de uma bomba, forçando o movimento do fluído de uma região para outra.

Perfil da corrente de convecção

Exemplo 1: Geladeira

O congelador é o responsável pelo resfriamento da geladeira deve ficar na parte de cima do aparelho. Ao resfriar o ar próximo de si, esse ar frio desce enquanto o ar quente, que está embaixo, sobe. Assim, produzem-se correntes de convecção, que mantém o interior da geladeira em constante resfriamento. Analogamente à geladeira, o ar condicionado deve ser colocado em locais mais altos para que possa favorecer as correntes de convecção.

Corrente de convecção na geladeira

Exemplo 2: Brisa marítima e terrestre

(Enem) Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água, apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condições de irradiação solar. No local (solo) que se aquece mais rapidamente, o ar fica mais quente e sobe, deixando uma área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar da superfície que está mais fria (mar).

À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia:

omo a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para esfriar (à noite), o fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte maneira:

a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir, deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do continente para o mar.

b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia.

c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissolve-se na água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que atrai o ar quente do continente.

d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental.

e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar.

Resolução: A

IRRADIAÇÃO

A energia proveniente do Sol atravessa um grande espaço vazio até chegar à Terra, portanto ela não pode ser transmitida por condução nem convecção. Outro processo ocorre denominado irradiação ou radiação. A energia radiante se propaga por meio de ondas eletromagnéticas (como luz visível, microondas, raios X, infravermelho, ultravioleta, etc) e é o único método de transmissão de calor que não depende de um meio material para se propagar, ou seja, pode ocorrer no vácuo.

LEI DE WIEN

Todas as substâncias a qualquer temperatura emitem energia radiante. Por exemplo, a 20º C, quase toda a radiação é emitida na forma de radiação infravermelha. A 500º C, a radiação está na faixa do visível vermelho. A cerca de 5000º C, recebemos toda a faixa visível e vemos o objeto branco. No entanto, o corpo não emite apenas uma radiação. Há um espectro (conjunto) de radiações (frequências) emitidas pelo material. Essa curva de emissão depende da temperatura e pode ser observada para diversas temperaturas pela figura:

Espectro de emissão de energia dos corpos

O pico desse gráfico, ou seja, a frequência com maior intensidade emitida pode ser calculada pela Lei de Wien:

Em que:

b é a constante de Wien e vale aproximadamente 3⋅10^-3 m⋅K

T é a temperatura do corpo

LEI DE STEFAN-BOLTZMANN

A taxa de radiação de energia pode ser calculada classicamente pela Lei de Stefan-Boltzmann

Onde:

A é a área

T é a temperatura em Kelvin

e é a emissividade. Um valor adimensional que depende da natureza da superfície e está compreendida entre 0 < e < 1 e diz se o corpo é um bom ou mau emissor de energia.

σ é constante de Stefan-Boltzmann e vale 5,67 × 10^-8 W/m²·K⁴.

Observação: Bons emissores também são bons absorvedores de energia.

Um corpo cuja emissividade vale 1 é um absorvedor ideal, ou seja, absorve toda a radiação que incide sobre ele. Essa superfície teórica é denominada corpo negro.

Exemplo:

Garrafa térmica ou vaso de Dewar é um recipiente utilizado para gerar um isolamento térmico quase perfeito e, dessa forma, conservar a temperatura do conteúdo em seu interior por bastante tempo.

Estrutura de uma garrafa térmica

Cada uma de suas partes tem uma função:

O vácuo entre as duas camadas impede a condução;
As superfícies espelhadas das camadas internas dificultam a irradiação térmica, pois elas “refletem” as ondas de calor;
A tampa, feita por material isolante, evita a convecção.

EFEITO ESTUFA

Suponha um automóvel fechado parado ao Sol em um dia muito quente. Quando for entrar no carro perceberá que a temperatura no seu interior está extremamente elevada. Esse é um exemplo prático do efeito estufa. Esse fenômeno ocorre porque o vidro é transparente para a radiação visível, no entanto é opaco para as ondas infravermelhas. Isso permite que a luz (energia radiante) penetre no carro, mas fique “presa” no seu interior.

O efeito estufa

O mesmo fenômeno acontece na Terra. A atmosfera recebe energia radiante do Sol na faixa do visível. A superfície da Terra absorve essa energia e reemite radiação na faixa do infravermelho. Essa frequência é absorvida mais uma vez principalmente pelo vapor d’água e pelo gás carbônico e reenviada para a superfície do planeta. Esse efeito estufa é benéfico, pois sem ele a Terra viveria numa era glacial a cerca de -20º C, impossibilitando a vida como a conhecemos. No entanto, nas últimas décadas, a temperatura da Terra tem aumentado ainda mais devido ao aquecimento global, cujo principal responsável é a contribuição humana.

QUANTIDADE DE CALOR

Um corpo ao receber energia pode sofrer dois processos: variação de temperatura ou mudança de estado físico. Cada um desses fenômenos envolve uma forma diferente de energia: cinética para variação de temperatura e potencial para mudança de estado físico.

Para entendermos melhor essas trocas de energia, considere um corpo no estado sólido recebendo energia continuamente de uma fonte de calor com potência constante. Cada um dos processos está descrito por A, B, C, D e E.

Curva de aquecimento de uma substância

A: Aquecimento na fase sólida, desde a temperatura inicial até seu ponto de fusão (PF).

B: Fusão da substância, que ocorre com a temperatura constante no ponto de fusão (PF).
C: Aquecimento na fase líquida, do ponto de fusão (PF) até o ponto de ebulição (PE).
D: Vaporização da substância, ocorre com a temperatura constante no ponto de ebulição (PE).
E: Aquecimento na fase gasosa, do ponto de vaporização ou ebulição (PE) até uma temperatura final.

Uma unidade muito comum no estudo de calorimetria é a caloria (cal), definida como a quantidade de calor necessária para elevar 1,0 g de água de 14,5º C para 15,5º C. A conversão entre a caloria e o joule pode ser encontrada pelo experimento abaixo do século XIX de sir James Joule avaliando o aquecimento da água mexida com um agitador, como o da figura abaixo. As pás transferem energia para a água realizando trabalho sobre ela. Dessa forma ele comparou o resultado dos seus experimentos e concluiu que 1 cal = 4,186 J.

Mecanismo utilizado por Joule para determinar o equivalente de trabalho em calor

CALOR SENSÍVEL

Quando o corpo sofrer variação de temperatura, ou seja, variar a energia cinética das suas partículas, dizemos que ele recebeu um calor sensível. Podemos quantificar a quantidade de energia pela Equação Fundamental da Calorimetria.

Q = m⋅ c ⋅∆T

em que:

Q é quantidade de calor sensível

c é o calor específico da substância, que depende da natureza do material e possui unidade de medida cal/gº C ou J/kg ⋅ K

m é massa do corpo

∆T é variação de temperatura

Exemplo:

Observe na tabela abaixo alguns calores específicos das substâncias

CAPACIDADE TÉRMICA (C)

A capacidade térmica é a razão entre a quantidade de calor (Q) recebida por um corpo e sua variação de temperatura (DT). Observe que ela também pode ser calculada pela produto da massa (m) pelo calor específico (c).

Unidade da capacidade térmica: cal/º C ou J/K.

EQUIVALENTE EM ÁGUA

O equivalente em água de um corpo é definido como a massa de água que possui a mesma capacidade térmica daquele corpo. Ou seja, com uma mesma quantidade de calor, sofre a mesma variação de temperatura que o corpo. Essa comparação com a água é muito útil em laboratório, pois o calor específico da água vale c_água = 1,0 cal/g⋅ºC. Assim, podemos descrever o equivalente matematicamente como:

CALOR LATENTE

Quando o corpo sofrer mudança de estado físico, ou seja, variar a energia potencial das suas partículas, dizemos que ele recebeu um calor latente. Podemos quantificar a quantidade de energia através da equação:

Q = m ⋅ L

em que:

Q é quantidade de calor sensível

L é o calor específico da substância, que depende da natureza do material e possui unidade de medida cal/g ou J/kg.

m é massa do corpo

∆T é variação de temperatura

TROCAS DE CALOR E EQUILÍBRIO TÉRMICO

Já falamos anteriormente que corpos diferentes temperaturas em um sistema isolado trocam calor até alcançarem o equilíbrio térmico. Vamos considerar que não há perdas energéticas, assim os calores trocados pelos corpos tem que ser nulos: