Neste post, vamos falar de transferência de calor por três métodos: condução térmica, convecção térmica e irradiação. E pode ficar feliz: no conteúdo todo, só há duas fórmulas. Em geral, as questões sobre esse tema são conceituais.
Calor
A energia térmica de um corpo está associada ao grau de agitação das partículas, ou seja, à sua temperatura. Quando um corpo quente é colocado próximo a um corpo frio, há um fluxo maior de energia térmica do corpo quente para o frio.
Quando falamos em calor, estamos nos referindo justamente à energia que transita de um corpo para o outro por conta da diferença de temperaturas. E atenção aqui: calor não é a energia que um corpo possui, somente essa energia que se transfere de um corpo a outro.
Na Física, temos algumas unidades para poder medir o calor. No Sistema Internacional são:
- Q: quantidade de calor, medida em Joule (J). No entanto, essa medida também pode ser representada em calorias (cal). Por isso, é importante sabermos converter essas medidas. Nesse caso: 1 cal ≅ 4,18 J.
Transferência de calor
Existem três formas para a transferência de calor entre dois ou mais corpos. São elas:
Condução térmica
Refere-se à transferência de calor que ocorre de partícula para partícula.
Atenção: a condução térmica não ocorre no vácuo!
Observe a figura:
Repare que o fluxo de calor sempre acontece do ponto mais quente (mais agitado) para o menos quente (menos agitado). Outro ponto importante para abordarmos é que corpos diferentes conduzem calor com velocidades diferentes. O fluxo de calor vai depender de variáveis como formato e material.
Um exemplo clássico são duas colheres, uma de metal e outra de pau, em imersão em uma panela de água fervente. Certamente, após alguns segundos, a colher de metal estará muito mais quente.
O fluxo de calor é representado pela letra grega fi (φ). O conceito inicial de fluxo de calor se dá pela razão entre quantidade de calor (Q) em um espaço de tempo (Δt). Portanto, para medir fluxo de calor, utilizamos a fórmula:
- φ = QΔt
- No Sistema Internacional de Unidades (SI), φ = J/s
Lei Fourier
Chegamos na fórmula do nosso conteúdo. A Lei de Fourier afirma que o fluxo de calor através de um corpo depende:
- do seu material (k);
- da sua forma (área A e espessura e);
- da diferença de temperatura entre o lado quente e o lado frio (Δθ).
Levando todas essas variáveis em consideração, a Lei de Fourier nos traz a seguinte fórmula:
- k: coeficiente de condutibilidade térmica do material, cuja unidade no SI é W/(m.K): watts por metro vezes Kelvin.
Por meio dessa fórmula, conseguimos concluir que quanto maior a área, maior é o fluxo de calor e mais calor passa por esse corpo. Por essa mesma lógica, quanto mais espesso for o corpo por onde o calor está passando, menor será o fluxo de calor.
Convecção térmica
Transferência de valor que ocorre por movimento de fluidos (líquidos e gases). Na convecção, o fluido mais quente sobe, e o fluido mais frio desce. Isso ocorre por conta da sua densidade: quanto mais quente um corpo, menos denso ele se torna.
Portanto, nessa forma de transferência de calor, formam-se as chamadas correntes de convecção.
Atenção: a convecção térmica não ocorre no vácuo!
Um exemplo muito conhecido de convecção é a geladeira. Observe a figura:
Quando colocamos alimentos na geladeira, geralmente eles estão mais quentes que o interior do aparelho. O ar ao redor desses alimentos torna-se mais quente e tende a subir, enquanto o ar frio da própria geladeira desce, formando correntes de convecção dentro dela. É por isso que deve haver espaço livre entre as prateleiras, favorecendo a circulação do calor.
Irradiação térmica
Na irradiação, a transferência de calor ocorre por meio de ondas eletromagnéticas (raios infravermelhos), ou seja, quando a luz passa de um lugar para o outro, ela transfere calor. É assim, por exemplo, que o calor do Sol chega até nós.
Atenção: a irradiação térmica é o único processo de transferência de calor que ocorre no vácuo.
Um exemplo conhecido são as garrafas térmicas. Elas são compostas por diversas estruturas que buscam reduzir todas as formas de transferência de calor:
- A tampa reduz as perdas por convecção, pois o ar quente não vai ascender e sair pela garrafa.
- O vácuo entre as paredes (interna e externa) da garrafa reduz as perdas por condução. Pelo mesmo motivo, muitas garrafas possuem as paredes internas de vidro, que é um material com baixa condutibilidade térmica.
- As paredes internas espelhadas da garrafa reduzem as perdas por irradiação, refletindo as ondas eletromagnéticas.
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