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SUMÁRIO:Mecanismos de transferência de energia por calor

em sólidos e fluidos: condução e convecção.

Condutividade térmica.

Bons e maus condutores de calor.

Resolução de exercícios e problemas para

consolidação dos conteúdos lecionados.

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CONDUÇÃO E CONVECÇÃO

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CONDUÇÃO: Mecanismo de transferência de energia como calor que ocorre devido à transferência de energia das partículas mais agitadas (a maior temperatura) para as mais lentas (a menor temperatura). As partículas mais agitadas propagam a agitação às partículas vizinhas havendo assim transferência de energia sem transporte de matéria.

Condução de calor: entre a resistência elétrica de um jarro elétrico e a água (A) e ao longo de uma colher metálica mergulhada numa sopa quente (B).

A B

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CONDUÇÃO E CONVECÇÃO

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CONVECÇÃO: Mecanismo de transferência de energia como calor que ocorre em fluidos (líquidos e gases) acompanhado de movimentos do próprio fluído que são designados de correntes de convecção.

Nos sólidos só é possível transferir energia sob a forma de calor por condução; nos fluidos pode transferir-se energia sob a forma de calor por condução e/ou convecção, sendo o segundo mais eficaz.

Correntes de convecção

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Conceitos como:

- Convecção

Permitem explicar fenómenos

como:

A “brisa” marítima de dia

A “brisa” terrestre à noite

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Considere as seguintes afirmações:

I) O aquecimento de muitas salas de aula é conseguido usando radiadores térmicos.II) Um jarro elétrico é um eletrodoméstico utilizado para o aquecimento de água.

1. Qual é o mecanismo de transferência de energia como calor que permite o aquecimento de toda a sala de aula?2. Que mecanismo de transferência de energia como calor ocorre entre a resistência do jarro elétrico e a água?3. Descreva os processos referidos nas alíneas anteriores.

Exercício resolvido

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Proposta de resolução1. Transferência de energia por convecção.2. Transferência de energia por condução.3. Na situação I, o ar junto ao radiador aquece, tornando-se menos denso. Esse ar sobe, dando origem a uma corrente “quente” ascendente. Ao subir, arrefece tornando-se mais denso e desce dando origem a uma corrente “fria” descendente. Estes processos repetem-se, ao longo do tempo, originando as correntes de convecção. Na situação II, como a resistência elétrica do jarro se encontra a uma temperatura superior à da água as suas partículas possuem maior agitação do que as partículas da água à sua volta. Estando em contacto com as partículas da água na vizinhança, os corpúsculos da resistência irão transferir parte da sua energia para essas partículas provocando o seu aquecimento.

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A densidade da água líquida varia ligeiramente e de forma muito peculiar com a temperatura: tem um valor máximo de 1 g cm–3 para a temperatura de 4 ºC. Tendo em conta esta informaçãoe o modo como o mecanismo de convecção se processa, explique porque é que os lagos congelam de cima para baixo.

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Exercício proposto

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Proposta de resoluçãoNo inverno a água à superfície do lago vai arrefecendo, tornando-se mais densa, dando origem a uma corrente descendente de água fria. Por outro lado, a água mais quente do fundo do lago, menos densa, sobe criando uma corrente ascendente.Durante a subida esta água arrefece tornando-se novamente mais densa e o processo repete-se de forma que toda a água vai arrefecendo. Quando a água do fundo do lago atinge os 4ºC, como apresenta densidade máxima não volta a subir e o mecanismo de convecção deixa de ocorrer. A água à superfície do lago continua a arrefecer, agora por condução, até atingir a temperatura de 0ºC. Assim, é a água à superfície que atinge a temperatura de congelação.

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CONDUTIVIDADE TÉRMICA

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Se um cilindro de área de base A e comprimento L, estiver em contacto, através das suas extremidades, com uma fonte “quente” à temperatura TQ e com uma fonte “fria” à temperatura TF, a taxa temporal de transferência de energia, sob a forma de calor, por condução será dada por:

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A taxa temporal de transferência de energia, sob a forma de calor, por condução através de um material é inversamente proporcional à sua espessura e diretamente proporcional à área transversal e à diferença de temperatura nas suas extremidades.

Se a diferença de temperatura aplicada nas extremidades do paralelepípedo for igual nas duas situações, a taxa temporal de transferência de energia será maior no segundo caso (B), pois apresenta uma maior área e uma menor espessura.

Paralelepípedos sujeitos a uma diferença de temperatura entre as faces esquerda e direita (A) e nas faces superior e inferior (B).

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CONDUTIVIDADE TÉRMICA: Grandeza física que mede a capacidade de uma substância conduzir o calor. Pode ser definida como a energia transferida sob a forma de calor por unidade de tempo através de uma superfície com 1 m2 de área e 1 m de espessura quando a diferença de temperatura entre as duas faces dessa superfície é 1 K.

TABELA I – VALORES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE ALGUNS MATERIAIS

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TABELA I – VALORES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE ALGUNS MATERIAIS

A condutividade térmica do cobre é 401 W m-1 K-1. Isto significa que entre os extremos de uma barra de cobre com 1 m de comprimento e 1 m2 de secção, transferem-se 401 J de energia, em cada segundo, quando a diferença de temperatura entre os extremos da barra for de 1 K (ou 1 ºC).

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A B

Um bom condutor térmico apresenta uma condutividade térmica elevada enquanto um isolador térmico apresenta uma condutividade térmica baixa.

De uma maneira geral, nos líquidos, a condutividade térmica é inferior à dos sólidos metálicos. E nos gases a condutividade térmica é ainda menor, uma vez que as partículas dos gases estão muito afastadas umas das outras, comparativamente com as dos líquidos e as dos sólidos.

A prata é um bom condutor térmico (A) e a madeira um bom isolador térmico (B).

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A potência média transmitida por uma janela de uma habitação com forma retangular de área A, com vidro simples de espessura L, quando sujeita a uma diferença de temperatura DT, é de 750 W.Sendo a taxa de transmissão de energia sob a forma calor, por condução, através da janela, dada por e mantendo

todas as restantes variáveis constantes, indique como varia, a potência média transmitida pela janela se:a) se duplicar a diferença de temperatura entre o interior e o exterior da janela.b) se duplicar a largura da janela.c) se substituir o vidro por madeira, mantendo-se as dimensões.

Exercício resolvido

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Proposta de resoluçãoa) Se a diferença de temperatura entre o interior e o exterior da janela duplicar, a taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução entre os dois meios (interior e exterior) também duplica.

b) Se a largura da janela duplicar, a área A também duplica logo a taxa temporal de transmissão de energia sob a forma de calor, por condução, entre os dois meios duplica.

c) Como kvidro > kmadeira a taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução, diminui pois no caso do vidro esta será superior à da madeira.

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Com base nos valores apresentados na tabela I (página 143):1. Explique porque se utiliza espuma de poliuretano no

revestimento das paredes de muitas habitações.2. Explique porque se opta por vidros duplos ao invés de vidros

simples.

Exercício proposto

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Proposta de resolução1. Como o valor da condutividade térmica da espuma de poliuretano é muito reduzido, muito inferior ao do betão, esse material é um bom isolador térmico.Assim, a taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução no caso desta espuma de poliuretano é inferior à de outros materiais de construção, pelo que minimiza as trocas de energia com o exterior por unidade de tempo.

Proposta de resolução2. A taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução numa janela com vidro duplo é inferior à de uma janela com vidro simples, uma vez que o valor da condutividade térmica do ar é muito reduzido. Além disso, a reduzida espessura entre os dois vidros dificulta também a transferência de energia sob a forma de calor, por convecção.