Transferência de calor

Transferência de calorO estudo de transferência de calor pode ser considerado como uma continuidade do estudo da termodinâmica, sendo que esta última está apenas interessada nos estágios iniciais e finais das interações das trocas de energia de um sistema com sua vizinhança (trabalho e calor). Enquanto no estudo de transferência de calor são vistos os modos e suas respectivas taxas.Sempre que houver um gradiente de temperatura em um meio, ou entre meios, haverá transferência de calor, que consiste no fluxo de energia térmica da maior para a menor temperatura, por três modos: condução; convecção; e radiação.

CONDUTORES TERMICOS * São aqueles que possuem elevado coeficiente de condutibilidade térmica.Ou seja, são materiais que conduzem calor com facilidade.Ex.: Os metais são excelentes condutores.

ISOLANTES TERMICOS * Ao contrário dos condutores, os isolantes conduzem muito pouco calor e possuem um coeficiente de condutibilidade baixo.Ex.: O ar, a neve.

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃOA transferência de calor por condução em um meio fluido (gasoso ou liquido) ocorre devido as interações entre as moléculas e o seu movimento aleatório. A temperatura em um determinado ponto do fluido é associado ao movimento de translação aleatório e movimentos internos de rotação e de vibração das moléculas. Portanto quando moléculas vizinhas se chocam há uma transferência de energia da mais energética para a menos energética, ocorrendo assim a condução na direção da diminuição de temperatura. E devido ao movimento aleatório destas moléculas há também uma transferência liquida de energia na direção da maior para a menor temperatura, ou seja, uma difusão de energia. Nos meios líquidos as interações são mais fortes e mais freqüentes do que nos gases, devido a proximidade entre as moléculas. Em um meio sólido a condução ocorre por ondas na estrutura de retículos induzidas pelo movimento atômico. Em um não condutor elétrico, a transferência de energia térmica ocorre exclusivamente através dessas ondas; em um condutor, a transferência também ocorre em função do movimento de translação dos elétrons livres. O fluxo de calor por condução ocorre via as colisões entre átomos e moléculas de uma substância e a  subsequente transferência de energia cinética. Vamos considerar duas substâncias a diferentes temperaturas separadas por uma barreira que é removida subitamente, como mostra a figura abaixo.

Quando a barreira é removida, os átomos "quentes" colidem com os átomos "frios". Em tais colisões os átomos rápidos perdem alguma velocidade e os mais lentos ganham velocidade. Logo, os mais rápidos transferem alguma de sua energia para os mais lentos. Esta transferência de energia  do lado quente para o lado frio é chamada de fluxo de calor por condução. Materiais diferentes transferem calor por condução com  diferentes velocidades. Esta é uma medida da  condutividade térmica. Condutividade térmica * Se envolvermos um objeto a uma temperatura  T2 com uma camada de um material, de modo a isolá-lo do ambiente externo a uma temperatura  T1,  então a condutividade térmica  do material isolante determina a rapidez com que o calor fluirá através dele. Logo, materiais que possuem uma alta condutividade térmica são  resistores térmicos pobres - ou seja, isolantes ruins. Por outro lado, materiais com pequena condutividade térmica possuem grande resistência térmica - são bons isolantes.

Condutividades térmicas: (kcal/s)/ (oC m)

Alumínio 4,9 10-2

Cobre 9,2 10-2

Aço 1,1 10-2

Ar 5,7 10-6

Gelo 4 10-4

Madeira 2 10-5

Vidro 2 10-4

Amianto 2 10-5

1 kcal = 4184 J

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃOA transferência de calor ocorre por convecção quando há um fluido em movimento sobre uma superfície e ambos estão com diferentes temperaturas.Dois mecanismos físicos se sobrepõem nesse modo de transferência. O movimento molecular aleatório (difusão) que predomina na região de contato com a superfície, e o movimento global ou macroscópico do fluido.O escoamento do fluido sobre a superfície, forma uma camada-limite hidrodinâmica onde a velocidade varia de zero até uma velocidade finita, e no caso de uma diferença de temperatura, forma-se também uma camada-limite térmica.A natureza do escoamento classifica a transferência de calor por convecção como sendo natural ou forçada. Na convecção natural tem-se como principio o escoamento do fluido devido a uma diferença de densidade causada pelo seu aquecimento fazendo com que este se mova dando lugar a uma outra porção do mesmo. E forçada quando este movimento do fluido for gerado por fontes externas, como ventiladores e bombas.A troca de calor, ou seja, a transferência de energia que normalmente ocorre na convecção, é a da energia sensível, ou térmica interna do fluido. Entretanto há também na transferência de calor por convecção a troca de calor latente, que é caracterizada pela mudança de fase do fluido entre os estados líquidos e vapor do mesmo.A equação de taxa apropriada para a convecção é conhecida como lei do resfriamentode Newton.Um bom exemplo de convecção é o aquecimento de uma panela de água. Quando a chama é ligada o calor é transferido primeiro por condução a partir do fundo da panela. Em um certo momento, a água começa a fazer bolhas - estas bolhas são de fato regiões locais de água quente subindo para a superfície, levando calor da parte quente para a parte mais fria no topo, por convecção. Ao mesmo tempo, a água mais fria, mais densa, do topo afundará, e será subsequentemente aquecida. Estas correntes de convecção são ilustradas na figura abaixo.

Correntes de convecção em água fervendo.

Considere duas regiões separadas por uma barreira, uma a temperatura maior do que a outra, e suponha que a barreira seja removida em um certo instante. As correntes de convecção são ilustradas na figura abaixo.

Fluxo de material devido a uma diferença de pressão

Quando a barreira é removida, o material na região de alta pressão (alta densidade) fluirá para a região de baixa pressão (baixa densidade). Se considerarmos que a regiào de baixa pressão é criada por uma fonte aquecedora, vemos que o movimento do material é equivalente à transferência de calor por convecção.

Um outro exemplo de correntes de convecção que pode ser interpretado dessa maneira, envolve a criação de brisa para a costa próxima a grandes quantidades de água (ex., o mar). A água possui um grande calor específico, e subsequentemente mantém mais o calor. Logo, durante o dia o ar sobre a água será mais frio do que sobre a terra. Isto cria região de baixa pressão sobre a terra, relativa à alta pressão sobre a água. Como consequência, uma brisa sopra da água para a terra. Por outro lado, durante a noite o ar sobre a água é um pouco mais quente do que sobre a terra, criando uma  baixa pressão sobre a água relativa à alta pressão sobre a terra, e uma brisa sopra da terra para a água. Veja a ilustração abaixo.

Formação de brisas próximas à grandes quantidades de água.

* REFRIGERADOR

Os refrigeradores retiram o calor de uma região fria e transferem para uma região mais quente. Essa transferência não é espontânea e para que isso ocorra deve haver uma injeção de energia, que é o trabalho do compressor.

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RADIAÇÃOToda matéria que se encontra a uma temperatura não-nula, emite sua energia através de radiação térmica, que é caracterizada pela mudança na configuração eletrônica dos átomos ou moléculas que a constituem. O campo de radiação emite sua energia através de ondas eletromagnéticas, sendo então não necessário um meio material, tornando-se até mais eficiente na sua ausência.A lei de Stefan-Boltzmann é a que possibilita a quantificação da potencia irradiada por uma superfície. Portanto se um corpo absorve toda a radiação que incide sobre ele a será igual a 1, e ele pode ser considerado como um corpo negro. Quando um corpo emite mais radiação do que absorve, resfria-se aquecendo sua vizinhança. E se absorve mais do que emite, aumenta sua temperatura e sua vizinhança se resfria. Se este corpo estiver em equilibrio com sua vizinhança, o corpo emitira e absorvera radiação na mesma taxa.

* IRRADIAÇÃO TERMICA A Irradiação é a transmissão de energia, sem que haja contato físico entre eles. Essa transmissão ocorre por

meio dos denominados raios infravermelhos, que são ondas eletromagnéticas.

* GARRAFA TERMICA

A função de uma garrafa térmica é impedir as trocas de calor de seu conteúdo com o ambiente externo. Dessa forma é construída de modo a evitar, tanto quanto possível, a condução, a convecção e a radiação. Isto é feito da seguinte maneira:

I. A condução e a convecção são evitadas através de uma região de ar rarefeito (o ideal seria vácuo) entre as paredes duplas internas.

II. A radiação é evitada através do espelhamento de suas paredes, tanto internamente quanto externamente. Assim, tenta-se evitar que a energia térmica transite do interior da mesma para o meio externo e vice-versa.

* ESTUFA DE PLANTA

A luz solar (energia radiante) atravessa as paredes transparentes de vidro e é absorvida por diversos corpos. Posteriormente, esse energia é emitida na forma de raios infravermelhos que não atravessam o vidro (o vidro é um material opaco para os raios infravermelhos). Dessa maneira, o ambiente interno mantém-se aquecido,o mesmo acontece com os coletores solar.

CONCLUSÃO

A conclusão de calor é energia térmica em trânsito, ou seja, está em constante movimentação e transferência entre os corpos do universo. No entanto, para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

BIBLIOGRAFIA

http://penta3.ufrgs.br/CESTA/fisica/calor/condut oreseisolantes.html http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/eso lar/esolar.html http://pt.wikipedia.org/wiki/CalorUFSM Transmissão de calor Prof. Ademar Michels