Transferência de calor

(* Preparado por C.A. Bertulani para o projeto de Ensino de Física a Distância)

Condução

O fluxo de calor por condução ocorre via as colisões entre átomos e moléculas de uma substância e a  subsequente transferência de energia cinética. Vamos considerar duas substâncias a diferentes temperaturas separadas por uma barreira que é removida subitamente, como mostra a figura abaixo.

Transferência de calor por condução

Quando a barreira é removida, os átomos "quentes" colidem com os átomos "frios". Em tais colisões os átomos rápidos perdem alguma velocidade e os mais lentos ganham velocidade. Logo, os mais rápidos transferem alguma de sua energia para os mais lentos. Esta transferência de energia  do lado quente para o lado frio é chamada de fluxo de calor por condução.

Materiais diferentes transferem calor por condução com  diferentes velocidades. Esta é uma medida da  condutividade térmica.

Condutividade térmica

Se envolvermos um objeto a uma temperatura  T2 com uma camada de um material, de modo a isolá-lo do ambiente externo a uma temperatura  T1,  então a condutividade térmica  do material isolante determina a rapidez com que o calor fluirá através dele.

A condutividade térmica k é definida através da equação Q/t = - k A T/x            [6.1]

Q/t  é a taxa com que o calor flui através da área A, em Joules por segundo, ou Watts. T/x é a mudança de temperatura por unidade de distância x em graus Kelvin, ou Celsius, por metro. A condutividade térmica  k é uma propriedade do material.

Suponha que coloquemos um material entre dois reservatórios a diferentes temperaturas, como mostra a figura abaixo.

Medida da condutividade térmica

Vamos agora medir o fluxo de calor, Q/t , através do material por unidade de  tempo. Conhecendo a área transversa, A,  e o comprimento, L, e a condutividade térmica do material, k,  

Q/t  =  - k(A/L) onde  é a diferença de temperatura entre os reservatórios.  O sinal menos significa que Q = Q2 - Q1 é positivo quando for negativo. Isto é, o fluxo de calor é da parte mais quente para a parte mais fria.

Logo, para uma dada diferença de temperatura entre os reservatórios, os materiais com condutividade térmica maior irão transferir maiores quantidades de calor por unidade de tempo - tais materias, como cobre, são bons condutores térmicos. Ao contrário, materiais com pequenas condutividades térmicas irão transferir pequenas quantidades de calor por unidade de tempo - estes materais , como concreto, são condutores térmicos pobres. Esta é a razão porque se você põe um pedaço  de cobre e um pedaço de concreto no fogo, o cobre irá aquecer muito mais rapidamente do que o concreto. Também é a razão porque o isolamento de fibra de vidro, e com penas de aves ou couro, possuem buracos com ar dentro do material - o ar parado é um condutor pobre de calor, e com isso ajuda a diminuir a perda de calor através do material.

Os isolamentos de casas em países frios também são condutores de calor pobres, que mantêm o calor no interior. Ao contrário da condutividade térmica, o isolamento é usualmente descrito em termos de resistência térmica, Rt, que é definida por

Rt = 1/k        [6.2]Logo, materiais que possuem uma alta condutividade térmica são  resistores térmicos pobres - ou seja, isolantes ruins. Por outro lado, materiais com pequena condutividade térmica possuem grande resistência térmica - são bons isolantes.

Condutividades térmicas: (kcal/s)/ (oC m)

Alumínio 4,9 10-2

Cobre 9,2 10-2

Aço 1,1 10-2

Ar 5,7 10-6

Gelo 4 10-4

Madeira 2 10-5

Vidro 2 10-4

Amianto 2 10-5

1 kcal = 4184 J

Convecção

Este mecanismo não envolve transferência microscópica de calor, por átomos ou moléculas, como descrito acima.  Convecção é o fluxo de calor devido a um movimento macroscópico, carregando partes da substância de uma região quente para uma região fria. Este mecanismo possui dois aspectos, um ligado ao princípio de Arquimedes e outro ligado à pressão.

Suponha que tenhamos uma região de ar que se aquece. À medida que o ar se aquece as moléculas de ar se espalham, fazendo com  que esta região se torne menos densa que o ambiente em torno, o ar não aquecido. Sendo menos denso ele se elevará - este movimento de ar quente para uma região mais fria é chamada de transferência de calor por convecção.

Um bom exemplo de convecção é o aquecimento de uma panela de água. Quando a chama é ligada o calor é transferido primeiro por condução a partir do fundo da panela. Em um certo momento, a água começa a fazer bolhas - estas bolhas são de fato regiões locais de água quente subindo para a superfície, levando calor da parte quente para a parte mais fria no topo, por convecção. Ao mesmo tempo, a água mais fria, mais densa, do topo afundará, e será subsequentemente aquecida. Estas correntes de convecção são ilustradas na figura abaixo.

Correntes de convecção em água fervendo.

Considere duas regiões separadas por uma barreira, uma a temperatura maior do que a outra, e suponha que a barreira seja removida em um certo instante. As correntes de convecção são ilustradas na figura abaixo.

Fluxo de material devido a uma diferença de pressão

Quando a barreira é removida, o material na região de alta pressão (alta densidade) fluirá para a região de baixa pressão (baixa densidade). Se considerarmos que a regiào de baixa pressão é criada por uma fonte aquecedora, vemos que o movimento do material é equivalente à transferência de calor por convecção.

Um outro exemplo de correntes de convecção que pode ser interpretado dessa maneira, envolve a criação de brisa para a costa próxima a grandes quantidades de água (ex., o mar). A água possui um grande calor específico, e subsequentemente mantém mais o calor. Logo, durante o dia o ar sobre a água será mais frio do que sobre a terra. Isto cria região de baixa pressão sobre a terra, relativa à alta pressão sobre a água. Como consequência, uma brisa sopra da água para a terra. Por outro lado, durante a noite o ar sobre a água é um pouco mais quente do que sobre a terra, criando uma  baixa pressão sobre a água relativa à alta pressão sobre a terra, e uma brisa sopra da terra para a água. Veja a ilustração abaixo.

Formação de brisas próximas à grandes quantidades de água.

Radiação

A terceira forma de transferência de calor é por radiação, que frequentemente chamamos de luz, visível ou não. Esta é a maneira, por exemplo, do sol transferir energia para a terra através do espaço vazio. Tal transferência não pode ocorrer por convecção ou condução, ambos os quais implicam em um movimento de material através do espaço de um lugar para outro.

Frequentemente, a energia de calor pode ser utilizada para fazer luz, tal como aquela proveniente de uma fogueira. A luz, sendo uma onda, carrega energia, e pode mover-se de um lugar para outro sem a necessiade de um meio material. Ela pode estar na forma de luz visível quando ela nos alcança e a vemos, mas também pode estar na forma de infravermelho de um comprimento de onda maior, que é observada somente com detetores especiais de infra-vermelho.

Leia um pouco mais sobre radiação em: A temperatura do Universo  

Projeto: Ensino de Física a distância Desenvolvido por: Carlos Bertulani