Transmissão de Calor

Como o calor se propaga? Quais os três processo de transmissão de calor? O que é fluxo de calor e como é medido?

Nessa aula de Física para o Enem você revisará tudo sobre como ocorre a transmissão de calor. Vai aprender que o calor se propaga nas formas de convecção, condução e irradiação. Revisará também a lei de Fourier com um exercício resolvido e ainda compreenderá o funcionamento de uma garrafa térmica e o movimento das brisas marítimas e terrestres.

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:

esquema de transmissão de calor
Figura 1: Ao aproximar a vara de metal do fogo, sua ponta será aquecida. Mas, à medida que o tempo passa, toda a vara ficará na mesma temperatura, por causa da condução de calor. As moléculas da ponta vibrarão muito pela grande quantidade de energia recebida do fogo. Ao vibrarem, baterão nas moléculas ao lado, fazendo com que vibrem também e que o calor se propague.

 

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:

convecção transmissão de calor
Figura 2: Na imagem vemos um desenho de uma panela com água fervendo sobre o fogão. As setas vermelhas indicam as moléculas de água quente, que por estarem mais agitadas, tornam a porção de água em que se encontram menos densas. Isso faz com que elas subam. Já as setas amarelas indicam a porção de água mais fria que, sendo mais densa, desce para o fundo da panela.

 

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.

irradiação

Fluxo de calor

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:

fórmula de fluxo de calor

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:

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).

Vejamos um exemplo para você fixar:

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

Lei de Fourier

A = 5 cm2

T2 = Temperatura de ebulição = 100oC

T1 = Temperatura de fusão = 0oC

Substituindo os valores na lei de Fourier temos:

cálculo fluxo de calor

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.
Você pode ver mais sobre formas de transmissão de calor assistindo nossa aula!

Agora resolva 10 exercícios sobre transmissão de calor e continue estudando:

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Sobre o(a) autor(a):

Rodinei Pachani é mestre em Geofísica pela USP-SP, com licenciatura plena em matemática, possui pós-graduação em Gerência Financeira e especialização em Estatística Aplicada. Possui experiência de mais de 28 anos em sala de aula, tendo trabalhado com ensino médio, cursinhos e Faculdades. É autor do livro “Ciência ao alcance de todos” e possui um canal no YouTube onde realiza experimentos, explica conteúdos e resolve exercícios de física.