Processos de transmissão de calor

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.

A chama faz com que as partículas da extremidade aquecida se movam 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:

• 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.

Exemplo: 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.

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, micro-ondas, 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 20 °C, quase toda a radiação é emitida na forma de radiação infravermelha. A 500 °C, a radiação está na faixa do visível vermelho. A cerca de 5000 °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:

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  
• 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

ϕ = A · e · σ · T⁴

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.

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.

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  que “presa” no seu interior.

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 super cie do planeta. Esse efeito estufa é benéfico, pois sem ele a Terra viveria numa era glacial a cerca de −20 °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.