A propagação do calor é um fenômeno físico estudado pela termodinâmica e pode realizar-se de três maneiras diferentes: condução, convecção e irradiação. Todas essas formas de propagação estão em várias situações práticas. Em uma garrafa térmica, por exemplo, procura-se minimizar as trocas de calor que ocorrem por meio dos três processos em simultâneo.
Por outro lado, algumas curiosidades que podemos saber sobre o calor, além de sua propagação, é também a sua conservação. A construção dos iglus é bem curiosa, por ser uma casa construída de neve em temperaturas de 30°C abaixo de zero pelos inuítes, tribo de esquimós que habitam o norte do Canadá.
Portanto, nesse caso, a neve funciona muito bem como isolante térmico, pois, quando compactada, guarda pequenas bolsas de ar em seu interior. Assim, o ar evita a transferência de calor por condução.
A propósito, dentro do iglu a temperatura pode chegar a 3°C, levando em conta que a temperatura externa esteja em 30°C, dormir dentro de um iglu é uma ótima alternativa.
Fluxo de calor
Primeiramente, a propagação de calor, em seus três processos diferentes, obedece a seguinte lei:
– Espontaneamente o calor sempre se propaga de um corpo com maior temperatura para um corpo com menor temperatura. Ou seja, fluxo de calor: ϕ.
Contudo, considera-se S uma superfície localizada na região em que acontece a propagação de calor. Portanto, o fluxo de calor ϕ através da superfície S é dado pela relação entre a quantidade de calor Q que atravessa a superfície e o intervalo de tempo Δt decorrido.
Φ = Q/Δt
A propósito, as unidades utilizadas para fluxo de calor são Cal/s e Kcal/s. Porém, no sistema internacional de unidades (SI) a unidade é o watt (w) que corresponde ao joule por segundo.
Basicamente, o calor é um processo de transferência térmica de um corpo com maior temperatura para um com menor, ou seja, é um processo de trânsito de energia.
Assim, existem três formas de propagação que são: condução térmica, convecção e irradiação.
Alguns fatores térmicos da propagação de calor
- Fluxo de calor: O fluxo de calor por meio de uma superfície é a quantidade de calor transmitida por unidade de tempo
- Condução térmica: Pra que ocorra transmissão de calor por condução térmica é necessária a presença de um meio material
- Convecção térmica: A convecção térmica consiste no movimento de massas fluidas que trocam de posição por diferença de densidade
- Noções de irradiação térmica: na irradiação térmica a transmissão de energia ocorre sem a necessidade de um meio material
Propagação de calor e Condução térmica
Basicamente, a condução térmica é quando o calor por um meio material é transmitido de uma extremidade a outra de um mesmo material por uma agitação molecular e dos choques entre as moléculas.
Basicamente, é uma transferência de calor pelo fato da existência de um gradiente de temperatura dentro da substância. Podemos, hoje, atribuir a condução térmica a três fenômenos;
- Interação molecular;
- Deslocamento de elétrons livres;
- Radiação intermolecular.
Vamos imaginar uma barra de ferro de temperatura de 20 °C em que em uma de suas extremidades é colocada em gelo fundente de 0°C e outra em vapor de água em ebulição em 100°C. No início dessa experiência, a quantidade de calor (Q) recebida pela barra de metal é maior que a quantidade (Q’) cedida para o elemento seguinte.
Neste sentido, a diferença entre Q e Q’ (Q-Q’) é utilizada no aquecimento do elemento S (barra de metal). Nessas condições, dizemos que o regime de condução é variável, pois a temperatura dos elementos da barra varia à medida que o calor é conduzido.
Contudo, a partir de um certo tempo, a temperatura do elemento S (barra de metal) não mais varia, tornando-se estacionária.
A propósito, vale lembrar que quando usamos fita isolante para ligações elétricas um dos objetivos é, no caso de um possível aquecimento do fio, que a temperatura do fio fique estacionária, evitando maiores aquecimentos da estrutura geral.
Convecção térmica como propagação de calor
A convecção térmica ocorre em fluidos e gases e consiste no transporte de energia térmica de uma região para outra por meio do transporte de matéria. Neste sentido, ocorre uma movimentação de diferentes partes do fluido que se dá pela diferença de densidade.
Portanto, essa diferença de densidade está relacionada com a temperatura do líquido. Assim, quando um líquido é aquecido em um recipiente em sua parte inferior, as porções mais quentes da parte inferior têm a sua densidade diminuída.
Sendo assim, estas porções fazem um movimento ascendente por terem densidades baixas. Contudo, as porções mais frias, por terem densidades superiores, fazem um movimento descendente. A propósito, vale lembrar que esta movimentação é denominada de correntes de convecção.
Aplicações de consequências da convecção térmica
- Em uma chaminé, os gases aquecidos resultantes da combustão sobem por terem a sua densidade diminuída. Em contrapartida, no redor da chama, forma-se uma região de baixa pressão que aspira o ar externo, mantendo a combustão.
- Nos radiadores de automóveis, a água quente aquecida pelo motor, sendo menos densa sobe e a água mais fria da parte superior desce. Em alguns casos para aperfeiçoar a eficiência de tal sistema, a convecção pode ser forçada por uma bomba d’água.
- Todo resfriamento se dá pela região superior, porque o fluido frio de maior densidade tende a descer. Portanto, o congelador da geladeira é colocado na parte de cima, o ar condicionado de um estabelecimento é sempre colocado em regiões altas, ao resfriar-se um barril de chope, o gelo é colocado na parte superior.
Irradiação térmica
A irradiação térmica (ou radiação) é a transmissão de energia feita por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, luz visível, raios ultravioleta e outros). Contudo, vale lembrar que quando essas ondas são os raios infravermelhos, denominamos irradiação térmica.
A irradiação ocorre sem a necessidade de um meio material, sendo contrária da condução e convecção. Portanto, na irradiação térmica o transporte é exclusivamente de energia, sob a forma de ondas.
Basicamente, o calor que nós percebemos quando colocamos a mão debaixo de uma lâmpada acesa é vindo da irradiação térmica. Este fato é explicado, porque a propagação de calor não veio por condução, pelo fato do ar ser mau condutor, e nem por convecção, porque o ar quente sobe.
Portanto, o calor que nos atinge só pode ser propagado por ondas da lâmpada para nossa mão. Outro exemplo é o caso da energia solar que só pode nos atingir por irradiação, posto que no vácuo não existe meio material. Assim, no caminho da irradiação térmica existe o vácuo do espaço sideral do sol até a terra.
Absorção reflexão e transmissão
A energia radiante incidente na superfície de um corpo é:
- Parcialmente absorvida
- Também é parcialmente refletida
- Através do corpo é parcialmente transmitida
Contudo, para termos uma ideia da incidência de energia sobre um corpo tomamos:
Q i – Quantidade total de energia
Qa – Parcela que absorve
Qr – Parcela que reflete
Qt – Parcela que transmite
Temos:
Q i = Qa + Qr + Qt
No entanto, para avaliar a proporção da energia incidente que sofre os fenômenos de absorção, reflexão e transmissão, definimos as seguintes grandezas dimensionais:
Absorvidade:
- a = Qa/ Qi
Refletividade:
- r = Qr/ Qi
Transmissividade:
- t = Qt/ Qi
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Fontes: Brasil Escola, Toda Matéria, Azeheb, Todo Estudo
