Transmissão de calor: convecção, condução e irradiação

A transmissão de calor tem a ver com a maneira com que o calor se propaga nas formas de convecção, condução e irradiação.

Nesta aula de Física, aprenda a lei de Fourier com um exercício resolvido e ainda compreenda o funcionamento de uma garrafa térmica e o movimento das brisas marítimas e terrestres.

Entenda o Fluxo de Calor

Para começar bem este resumo sobre as formas de transmissão de calor acompanhe com o professor de física Otávio Bocheco, o “Seco”, do canal do Curso Enem Gratuito, um exemplo bem simples para você aprender de vez.

Ele parte de uma simulação de um ambiente interno onde foi ligado um aparelho de ar condicionado, com uma temperatura bem mais baixa do que a do ambiente externo. Veja como tudo acontece para você aprender Fluxo de Calor.

Valeu pra você o exemplo do comportamento do calor nas paredes da sala com o ar rerigerado?

Transmissão de calor

Vamos começar com um conceito importante para entendermos a transmissão de calor:

“O calor só se transfere de um corpo para outro se existe diferença de temperatura entre eles e se dá, sempre, do mais quente para o menos quente.”

Sendo assim, no momento em que a temperatura desses corpos forem a mesma, não haverá mais troca de calor entre eles.

Essa troca de calor se dá de três formas. Vamos ver cada uma delas.

Condução

Nessa forma de transmissão de calor, o calor se transfere de um corpo para outro sem haver deslocamento de partículas. As mais agitadas cedem energia para aquelas que estão ao seu lado.

Isso acontece porque quando uma molécula está com uma alta temperatura, ela terá mais energia térmica. Isso fará com que ela vibre. Assim, a partícula que está ao seu lado, será empurrada pela vibração dela e passará a vibrar também. Dessa maneira, o calor vai se propagando de uma partícula para a outra. Para entender melhor, veja a figura:

Convecção

Aqui o calor se transfere de um lugar para o outro por meio de transporte de matéria. As moléculas mais agitadas acabam se afastando. Isso faz com que a porção mais quente fique menos densa e suba, transportando energia. Já as menos aquecidas vibram menos.

Dessa maneira, ficam mais próximas umas das outras e tornam a porção mais fria mais densa. Isso faz com que elas desçam, ocupando o espaço deixado pelas moléculas mais quentes. O movimento constante dessas moléculas forma as chamadas correntes de convecção. Veja a figura:

Irradiação

Nesta forma de transmissão de calor, o calor se transfere através de um tipo específico de onda eletromagnética, o infravermelho. Essa onda recebe o nome de irradiação térmica.

Resumo sobre transmissão de calor

Veja agora coma professora Lia, que dá aulas de física no canal do Curso Enem Gratuito, uma introdução bem prática sobre a Transferência de Calor e o Equilíbrio Térmico.

Fluxo de calor e a Lei de Fourier

A fim de quantificar essa transferência de calor entre corpos, Fourier (1768-1830) realizou vários experimentos criando uma lei para o fluxo de calor que recebeu seu nome.

O fluxo de calor era calculado matematicamente pela quantidade de calor transmitido dividido pelo intervalo de tempo decorrido nessa transferência, ou seja:

sendo Q a quantidade de calor transferida e Δt o intervalo de tempo dessa transferência.

Com os resultados de seus experimentos, ele então criou uma expressão que passou a se chamar de Lei de Fourier:

sendo k uma constante de condutividade térmica que varia de acordo com o tipo de material, A a área de contato, T₂ a temperatura mais alta, T₁ a mais baixa e L o comprimento do corpo.

Ele mostrou que o fluxo de calor em uma barra, por exemplo, é diretamente proporcional a área de contato e a diferença de temperatura. E inversamente proporcional ao comprimento dela.

O fluxo de calor no S.I. é medido em Joules por segundo (J/s) ou Watt (W).

Exercício resolvido

Uma barra de alumínio (k = 0,5 cal/s.cm.^oC) está em contato, numa extremidade, com gelo em fusão e, na outra, com vapor de água em ebulição sob pressão normal. Seu comprimento é 25 cm, e a secção transversal tem 5 cm² de área. Determine o fluxo de calor que atravessa a barra.

Resolução:

K = 0,5 cal/s.cm.^oC

A = 5 cm²

T₂ = Temperatura de ebulição = 100^oC

T₁ = Temperatura de fusão = 0^oC

Substituindo os valores na lei de Fourier temos:

Fluxo de calor = 10 cal/s

Alguns fatos importantes sobre o calor para você não esquecer:

• Cobertor não esquenta. Ele funciona como um isolante térmico, impedindo que o calor do seu corpo se perca para o ambiente;
• Gelo é excelente isolante térmico. Tanto que os esquimós utilizam esse material para construir suas casas, os iglus;
• Graças às correntes de convecção que pássaros e asas deltas alcançam grandes altitudes. O ar quente próximo à superfície sobe, criando correntes de calor ascendentes;
• Durante o dia, o ar sobre a areia da praia fica mais quente que o ar sobre o mar. Sendo assim, o ar quente sobre a areia sobe e o ar do mar se desloca para a areia. Isso forma uma espécie de vento fraco que chamamos de brisa. A brisa marítima durante o dia, tem sentido do mar para a praia;
• O contrário ocorre durante a noite. A água demora mais para perder calor que a areia. Sendo assim, o ar sobre o mar está mais quente durante a noite e sobe. O ar sobre a areia se desloca, ocupando o lugar. Dessa maneira, a brisa terrestre ocorre durante a noite e vai da praia para o mar;
• A garrafa térmica possui ar rarefeito (vácuo) entre suas paredes e é recoberta internamente por uma camada de espelhos. Ar rarefeito é para impedir a troca de calor por convecção, as duas paredes para impedir a condução e espelhos para impedir que o calor se transfira através da irradiação.

Exercícios sobre transmissão de calor

Para terminar, resolva os exercícios sobre transmissão de calor a seguir, selecionados pela equipe do Curso Enem Gratuito!

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Sumário do Quiz

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Perguntas:

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1. Respondido
2. Revisão

1. Pergunta 1 de 10

   1. Pergunta

   (FCM PB/2017)

   Em relação à transferência de calor entre corpos…

   I. Todo o calor de uma fonte não pode ser transformado inteiramente em trabalho por uma máquina térmica operando em ciclos.
   II. Em um processo cujo único efeito seja retirar calor de um reservatório térmico é impossível produzir uma quantidade equivalente de calor.
   III. É possível realizar um processo cujo único efeito seja retirar calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente.

   • Apenas as afirmativas I e III estão corretas.
   • Apenas as afirmativas II e III estão corretas.
   • Apenas a afirmativa I está correta.
   • Apenas a afirmativa III está correta.
   • Apenas as afirmativas I e II estão corretas.
   Correto
   

   Parabéns, resposta correta! Siga com o simulado.

   Incorreto
   

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2. Pergunta 2 de 10

   2. Pergunta

   (UniRV GO/2016)

   O calor se propaga através de três mecanismos: a condução, a convecção e a radiação. A condução térmica ocorre predominantemente em meios sólidos, a convecção em fluídos enquanto a radiação não necessita de meio material para a transferência de energia. De acordo com seus conhecimentos sobre o processo da condução e com auxílio da tabela de condutividade térmica de alguns materiais, assinale a alternativa FALSA.

   

   • Utilizar poliuretano na construção civil é uma boa alternativa para o melhoramento do conforto térmico.
   • Se dobrarmos a área de uma parede de concreto enquanto diminuímos a espessura em um quarto, a taxa de transferência de calor diminui 400%.
   • Adicionar uma camada de 1 cm de poliuretano em uma parede de concreto de 10 cm reduz 80% a transferência de calor.
   • Para obter a mesma resistência térmica de 500 cm de concreto, são necessários apenas 25 cm de fibra de vidro.
   Correto
   

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   Incorreto
   

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3. Pergunta 3 de 10

   3. Pergunta

   (UECE/2015)

   Um bloco de gelo a –30 °C repousa sobre uma superfície de plástico com temperatura inicial de 21 °C. Considere que esses dois objetos estejam isolados termicamente do ambiente, mas que haja troca de energia térmica entre eles. Durante um intervalo de tempo muito pequeno comparado ao tempo necessário para que haja equilíbrio térmico entre as duas partes, pode-se afirmar corretamente que

   • a superfície de plástico tem mais calor que o bloco de gelo e há transferência de temperatura entre as partes.
   • a superfície de plástico tem menos calor que o bloco de gelo e há transferência de temperatura entre as partes.
   • a superfície de plástico tem mais calor que o bloco de gelo e há transferência de energia entre as partes.
   • a superfície de plástico transfere calor para o bloco de gelo e há diferença de temperatura entre as partes.
   Correto
   

   Parabéns, resposta correta! Siga com o simulado.

   Incorreto
   

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4. Pergunta 4 de 10

   4. Pergunta

   (UFSCar SP/2015)

   A condução e a convecção são dois mecanismos de transferência de calor que só ocorrem através de um meio material. O processo de condução de calor ocorre tanto em materiais sólidos quanto em fluidos, sem que haja transporte de matéria.

   A convecção ocorre

   • unicamente em sólidos e caracteriza-se pelo fato de o calor ser transferido pelo contato entre os corpos envolvidos.
   • unicamente em fluidos e caracteriza-se pelo fato de o calor ser transferido pelo movimento de partes do próprio fluido.
   • unicamente em fluidos e caracteriza-se pelo fato de o calor ser transferido pelo contato entre os corpos envolvidos.
   • tanto em sólidos quanto em fluidos e caracteriza-se pelo fato de o calor ser transferido pelo contato entre os corpos envolvidos.
   • tanto em sólidos quanto em fluidos e caracteriza-se pelo fato de o calor ser transferido mesmo que os corpos se encontrem separados.
   Correto
   

   Parabéns, resposta correta! Siga com o simulado.

   Incorreto
   

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5. Pergunta 5 de 10

   5. Pergunta

   (UDESC/2013)

   Assinale a alternativa incorreta a respeito dos conceitos de termologia ou de processos termodinâmicos, envolvendo transferências de energia entre dois corpos.

   • Quanto maior a altitude, menor é a pressão atmosférica e menor é a temperatura de ebulição da água.
   • Quando as moléculas de um meio material vibram, o calor é transmitido por condução.
   • A convecção é um processo de transferência de calor que ocorre somente em meios fluidos.
   • A temperatura de um corpo é a medida da quantidade de calor contida nele.
   • A radiação é um processo de transferência de calor que, também, ocorre se os corpos estiverem no vácuo.
   Correto
   

   Parabéns, resposta correta! Siga com o simulado.

   Incorreto
   

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6. Pergunta 6 de 10

   6. Pergunta

   (ENEM/2012)

   Em dias com baixas temperaturas, as pessoas utilizam casacos ou blusas de lã com o intuito de minimizar a sensação de frio. Fisicamente, esta sensação ocorre pelo fato de o corpo humano liberar calor, que é a energia transferida de um corpo para outro em virtude da diferença de temperatura entre eles.

   A utilização de vestimenta de lã diminui a sensação de frio, porque

   • possui a propriedade de gerar calor.
   • é constituída de material denso, o que não permite a entrada do ar frio.
   • diminui a taxa de transferência de calor do corpo humano para o meio externo.
   • tem como principal característica a absorção de calor, facilitando o equilíbrio térmico.
   • está em contato direto com o corpo humano, facilitando a transferência de calor por condução.
   Correto
   

   Parabéns, resposta correta! Siga com o simulado.

   Incorreto
   

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7. Pergunta 7 de 10

   7. Pergunta

   (ENEM/2012)

   Chuveiros elétricos possuem uma chave para regulagem da temperatura verão/inverno e para desligar o chuveiro. Além disso, é possível regular a temperatura da água, abrindo ou fechando o registro. Abrindo, diminui-se a temperatura e fechando, aumenta-se.

   Aumentando-se o fluxo da água há uma redução na sua temperatura, pois

   • aumenta-se a área da superfície da água dentro do chuveiro, aumentando a perda de calor por radiação.
   • aumenta-se o calor específico da água, aumentando a dificuldade com que a massa de água se aquece no chuveiro.
   • diminui-se a capacidade térmica do conjunto água/ chuveiro, diminuindo também a capacidade do conjunto de se aquecer.
   • diminui-se o contato entre a corrente elétrica do chuveiro e a água, diminuindo também a sua capacidade de aquecê-la.
   • diminui-se o tempo de contato entre a água e a resistência do chuveiro, diminuindo a transferência de calor de uma para a outra.
   Correto
   

   Parabéns, resposta correta! Siga com o simulado.

   Incorreto
   

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8. Pergunta 8 de 10

   8. Pergunta

   (UFTM MG/2010)

   A respeito dos processos de transmissão de calor, considere:

   I. na convecção, o calor é transferido de um lugar para outro tendo como agentes os próprios fluidos;
   II. na condução, ocorre a transferência de energia cinética entre as partículas;
   III. na irradiação, o calor é transmitido sob a forma de ondas eletromagnéticas.

   É correto o contido em

   • I, apenas.
   • II, apenas.
   • I e II, apenas.
   • II e III, apenas.
   • I, II e III.
   Correto
   

   Parabéns, resposta correta! Siga com o simulado.

   Incorreto
   

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9. Pergunta 9 de 10

   9. Pergunta

   (UEPB/2005)

   O matemático e físico francês Jean Baptiste Joseph Fourier (1768- 1830) estudou a condução do calor através de sólidos e publicou, em 1822, a teoria analítica do calor, criando uma lei que levou o seu nome – Lei de Fourier. Observe a seguir, uma aplicação desta teoria.
   Um fogão de cozinha elétrico possui entre as paredes do seu forno um isolante constituído por uma camada de fibra de vidro com área total de 1,40 m² e espessura de 4,0 cm . Ao ligar o forno deste fogão, após um certo tempo, a superfície interna da fibra de vidro alcança uma temperatura de 175 ºC e sua superfície externa encontra-se a uma temperatura de 35 ºC . Considerando-se que a condutividade térmica da fibra de vidro é igual a 0,040 W/m, a taxa de transferência de calor através do isolante, em W/m², vale:

   • 196
   • 294
   • 130
   • 150
   • 175
   Correto
   

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   Incorreto
   

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10. Pergunta 10 de 10

    10. Pergunta

    (UESC BA/2006)

    A garrafa térmica é um dispositivo feito para conservar a temperatura de um líquido gelado ou quente.
    Sobre a garrafa térmica, é correto afirmar:

    • O vácuo existente entre as paredes duplas de vidro espelhado reduz as trocas de calor por irradiação.
    • A quantidade de calor que atravessa as paredes duplas da garrafa é determinada pela Lei de Fourier.
    • A radiação térmica que incide nas paredes duplas da garrafa é constituída do espectro eletromagnético visível.
    • As paredes duplas de vidro devem ser pintadas de preto para dificultar a propagação de calor por condução.
    • As faces externas e internas das paredes de vidro são espelhadas para minimizar o fluxo da radiação térmica, tanto de dentro para fora quanto de fora para dentro.
    Correto
    

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    Incorreto
    

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