O processo de transferência de calor ocorre quando há dois ou mais sistemas, com diferentes temperaturas, em contato e cessa quando esses sistemas adquirirem a mesma temperatura, pois atingiram o equilíbrio térmico.
A propagação de calor entre os corpos pode ocorrer de três maneiras:
Quando tocamos a madeira da porta e a maçaneta temos a sensação que a maçaneta está mais fria que a madeira, porque a quantidade de calor trocada entre a mão e o metal da maçaneta é maior que a quantidade de calor trocada entre a mão e a madeira. Isto ocorre porque o metal da maçaneta é melhor condutor de calor do que a madeira da porta.
Os metais são excelentes condutores de calor, por isso, o alumínio é utilizado na confecção de panelas, enquanto que a
cerâmica, que é um material pouco condutor, denominado mau condutor ou isolante, é utilizada na confecção de pratos.
Se você segurar uma barra de um metal qualquer sobre uma chama, após alguns minutos irá sentir que a temperatura da barra está aumentado
e, dependendo do metal, em um pouco mais de tempo você terá que largar a barra, se não quiser queimar sua mão.
Como ocorre o processo de condução do calor?
Quando fornecemos calor a um corpo, através de uma fonte de calor, como uma chama, a parte do corpo, em contato com a fonte, irá se aquecer, e seus átomos irão se mover mais rapidamente, (adquirindo maior energia cinética) o que produz colisões com os átomos vizinhos, que da mesma forma irão interagir com os seus átomos vizinhos, até que todo corpo esteja aquecido. Esse é processo de transferência de energia denominado condução.
Na simulação abaixo, podemos observar o processo de condução do calor numa chapa metálica.
Isso explica porque toda a panela fica aquecida, inclusive as partes que não estão em contato com a chama do fogão, e o porquê
da necessidade de cabos de madeira.
Qual a diferença entre os materiais condutores e isolantes?
Os sólidos possuem os elétrons externos fracamente ligados, sendo que nos metais, esses elétrons estão mais fracamente ligados ainda e são livres para transportar energia através de colisões no metal e
por isso os metais são chamados bons condutores de calor. Já os materiais, como a madeira e a cortiça, possuem seus elétrons externos fortemente ligados, o que não permite uma boa propagação de
calor e por isso são chamados de isolantes.
Também são isolantes térmicos, o ar e o gelo. O ar é utilizado pelos pássaros, no inverno. Eles eriçam suas penas para reter uma camada de ar, isolando o corpo do ambiente. E o gelo é utilizado pelos esquimós na confecção de iglus.
Cada material possui um coeficiente de condutividade térmica, que expressa a quantidade de calor conduzida por segundo através de uma camada de 1m de espessura por 1m2 de área a uma diferença de
1oC na temperatura. Dos metais, a temperatura ambiente, a prata é o que possui maior coeficiente de condutividade e dos gases, a 0oC, é o ar. Veja na tabela abaixo alguns valores.
| aço | |
| água | |
| alumínio | |
| ar | |
| cerâmica | |
| cobre | |
| ferro | |
| gelo (0oC) | |
| madeira | |
| ouro | |
| prata | |
| vidro comum | |
E agora vejamos alguns experimentos: CONDUÇÃO NOS SÓLIDOS I, II e III.
É o processo de transferência de calor que ocorre através do deslocamento de camadas de um fluido, isto significa que ocorre com os
líquidos e os gases.
É o que ocorre, por exemplo, com a água em uma panela no fogo. A fonte de calor - a chama - aquece a água da parte inferior, que se torna menos
densa e sobe devido ao empuxo, enquanto a água da parte superior, que está mais densa que a de baixo, desce. Assim, uma corrente de massa de água se
forma no interior da panela e ocorre o que chamamos de deslocamento de camadas ou de massa de fluido, no caso a água. E essa corrente de convecção irá ocorrer
enquanto houver diferença de temperatura entre as moléculas do fluido.
As correntes de convecção ocorrem na atmosfera, e próximo a superfície facilitam o vôo de pássaros que as utilizam para atingir grandes
alturas.
Também afetam o clima. As correntes de ar que se movimentam das regiões mais aquecidas e de baixa pressão para as regiões mais frias e de alta pressão. Quando correntes de ar colidem - como as que movem-se das regiões polares em direção ao Equador e as correntes em sentido inverso, chamadas de tropicais, que em geral são quentes e úmidas - ocorrem tempestades. Essas massas de ar, quentes e frias são as chamadas frentes quentes e frias.
Nas cidades onde há grande circulação de veículos ou indústrias os gases expelidos sobem porque são mais quentes e menos densos que o ar atmosférico e o ar
das camadas mais altas, descem, ocorrendo uma renovação do ar, mas isso depende da temperatura ambiente. No inverno, o ar próximo ao solo pode estar mais frio que o ar das camadas
mais altas da atmosfera, o que é denominado inversão térmica e então, o ar não sobe o que facilita a formação de poluição.
Alguns eletrodomésticos também funcionam com base na convecção do calor. No refrigerador, por exemplo, o congelador fica na parte superior para que as
correntes de ar, circulem de cima para baixo, resfriando o interior.
Na geladeira, ar em contato com a serpentina, próxima ao congelador, se torna mais frio, mais denso e desce, e ao atingir a parte inferior já está menos frio e portanto,
menos denso, logo torna a subir, gerando a corrente de convecção. E para facilitar esse processo de resfriamento é necessário que as prateleiras sejam vazadas e que não sejam forradas,
pois isso dificultaria a passagem do ar. Além disso, é por este motivo que a gaveta de verduras que não precisam ser muito frias, ficam na parte inferior e a gaveta de carnes, fica na
parte superior.
Da mesma forma que o congelador na geladeira, o ar condicionado, para produzir melhor resfriamento deve ser instalado na parte superior das paredes, porque o ar frio sai
para cima e como é denso, desce, enquanto que o ar mais quente sobe, e então a refrigeração do ambiente é mais eficiente. Para produzir aquecimento, com um ar condicionado ou lareira, o ideal é instalar próximo ao solo.
E agora vejamos uma demonstração e alguns experimentos: CONVECÇÃO I, II e III.
Nossa maior fonte de irradiação térmica é o Sol, nossa maior fonte de energia. Por isso, a radiação é considerada o principal processo de transmissão do calor,
pois sem ela o calor do Sol não chegaria até nós.
A radiação térmica é uma onda eletromagnética e está relacionada com a radiação luminosa.
Por exemplo, um pedaço de ferro quando possui sua temperatura elevada passa a
emitir luz, que passa da vermelha, pela laranja, amarela até a branca emitindo calor. Podemos observar fenômeno semelhante quando acendemos uma lâmpada incandescente. O filamento de tungstênio modifica sua cor enquanto
sua temperatura aumenta.
A diferença entre a radiação térmica e a luminosa está na freqüência da radiação. A superfície do Sol com alta temperatura, em comparação com a superfície da Terra, emite
com alta freqüência.
O processo de radiação do calor é hoje em dia muito utilizado em aquecedor solar e de ambientes e no forno microondas e neste a radiação possui uma freqüência bem definida,
que só faz vibrar as moléculas de água dos alimentos.
Também a radiação infravermelha é utilizada no tratamento de lesões no corpo, com aparelhos como o da figura ao lado que são colocados próximo à lesão.
Ao contrário dos processos de condução e convecção, a radiação não necessita de meio material para ocorrer, isto é, pode ocorrer no vácuo, pois é uma onda eletromagnética.
Não apenas os corpos aquecidos emitem radiação, mas todos os corpos emitem energia radiante continuamente, a menos que estejam a zero kelvin ou zero absoluto que é a temperatura mais baixa possível.
Se os corpo emitem energia continuamente, ela não esgotará?
Os corpo bons emissores de radiação são também bons absorvedores de radiação.
Os corpos bons emissores e absorvedores de radiação são chamados corpos negros.
Um corpo negro não precisa ser de cor preta.
Por exemplo, quando olhamos a janela
de um prédio distante, ele nos parece escuro, mesmo se suas paredes estão pintadas de branco, então a janela é considerada por nós um corpo negro. Esses corpos absorvem calor mais rapidamente
do que os corpos claros e também emitem mais calor do que estes.
O físico austríaco Josef Stefan (esquerda) verificou experimentalmente e formulou uma lei sobre a emissão da energia radiante de um corpo negro e o físico Ludwig Boltzmann (direita) deduziu essa mesma lei
que hoje chamamos de LEI DE STEFAN-BOLTZMANN que diz que o poder de emissão de um corpo negro é diretamente proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta, ou seja, a energia irradiada na unidade de tempo,
por unidade de área - E -
é proporcional a temperatura - T - da seguinte forma:
onde a constante de proporcionalidade
vale 5,67x10-8W/m2K4.
Um efeito da emissão de radiação está no que chamamos "EFEITO ESTUFA".
O efeito estufa na Terra ocorre quando a temperatura da superfície da Terra aumenta quando os fluxos de energia provenientes do Sol e da própria superfície são absorvidos por gases, como dióxido de carbono e metano.
Quando os gases absorvem radiação, principalmente, infravermelha, ocorre o aquecimento da atmosfera que passa a emitir radiação, que aquece a superfície terrestre, ou seja, causando o que é chamado de "aquecimento global", o que atualmente tem gerado muitos estudos científicos e debates sobre suas conseqüências e medidas preventivas.
Como a ocorrência excessiva do efeito estufa causa um desequilíbrio para a vida na Terra é preciso que o homem cuide da natureza para evitar alteração significativa nos gases presentes na atmosfera.
Também há estufas construídas para evitar a troca de calor do seu interior para o exterior. A luz do Sol incide nos objetos no interior da estufa que absorvem essa radiação e emitem radiação infravermelha. Como normalmente possuem paredes de vidro, que não deixam passar raios infravermelhos, ocorre o aquecimento no interior da estufa, facilitando, por exemplo, o cultivo de plantas.
Conforme a emissão temos a cor e temperatura dos objetos.
Vejamos alguns experimentos para verificar a propagação do calor por radiação: RADIAÇÃO I, II, III e IV.
Façamos alguns exercícios!