Ciências da Natureza – Física Prof.: Luiz Felipe

Propagação do calorA propagação do calor entre dois sistemas pode ocorrer através de três processosdiferentes: a condução, a convecção e a irradiação.

✓ Condução térmica

A condução térmica é um processo de propagação do calor em que a energia étransferida de partícula para partícula, através de agitação atômico-molecular.

O fogo faz os átomos da extremidade moverem cada vez mais rápido. Essesátomos e elétrons livres colidem com seus vizinhos e assim por diante. Esse processo demúltiplas colisões continua até que o aumento do movimento seja transmitido a todos osátomos, aquecendo o corpo inteiro.

se destaca nos sólidos

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➢ Obs.: a condução térmica não ocorre no vácuo.

✓ Bons condutores e maus condutores de calor (isolantes térmicos)

➢ Obs.: substâncias porosas como a lã, peles e penas são boas isolantes principalmente pelosespaços com ar que elas contêm.

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➢ Obs.: o piso de um azulejo parece mais frio que o de madeira, embora ambos os materiaisestejam na mesma temperatura. A causa é que o azulejo é melhor condutor de calor do quea madeira e, dessa maneira, o calor é mais facilmente transmitido do pé para o azulejo

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✓ Fluxo de calor

Seja Q a quantidade de calor que passa por uma superfície S num intervalo de tempo Δt.Definimos fluxo de calor (Φ) como sendo:

Q

t =

unidade (SI): 1 J/s = 1 W

✓ Regime estacionário

O regime de condução de calor através de um condutor é dito estacionário quando o fluxotérmico não apresenta variações com o tempo. Em cada um dos pontos do condutor atemperatura permanece constante

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✓ Lei de Fourier

Considere um cilindro condutor no qual se estabeleça um regime estacionário de conduçãotérmica:

Experimentalmente, verifica-se que o fluxo térmico é dado por:

. .Q K A

t L

= =

coeficiente de condutibilidade térmica (condutividade térmica)

área da secção transversal

Para placas de espessura e temos:

. .Q K A

t e

= =

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✓ Convecção térmica

A convecção térmica é um processo de propagação de energia que ocorre apenasnos fluidos, uma vez que há movimentação das partículas diferentemente aquecidas no interiordo meio, não podendo ocorrer nos sólidos. Esse movimento de partículas acontece pordiferença de densidade entre as diversas partes do fluido, causada pela diferença detemperatura.

Quando o fluido é aquecido por baixo, as moléculas do líquido que estão no fundopassam a mover-se mais rapidamente, afastando-se, em média, mais umas das outras,tornando menos denso o material, de maneira que surge uma força de empuxo que empurra ofluido para cima.

correntes de convecção

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✓ Inversão térmicaQuando o dia está quente, o ar próximo ao solo, onde estão os poluentes, está mais

quente que o das camadas mais altas. Desse modo, as correntes de convecção levam o arpoluído para cima. No entanto, nos dias frios, o ar próximo ao solo está mais frio que o dascamadas mais altas e, assim, não há convecção para cima.

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✓ BrisasQuando o Sol nasce, passa a aquecer a terra e a água. Porém, devido ao seu alto

calor específico, a água demora mais a aquecer. Assim, durante o dia a terra está mais quenteque a água. Portanto, o ar quente próximo da terra sobe, abrindo espaço para o ar frio quevem da região sobre o mar. À noite a situação se inverte.

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✓ Ar-condicionadoOs aparelhos de ar-condicionado são colocados próximos dos tetos dos aposentos. A

finalidade é fazer com que o ar resfriado pelo aparelho, que é mais denso, desça. Ao mesmotempo o ar quente sobe.

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✓ Congeladores

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✓ Granizo

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✓ Irradiação térmica

A chamada irradiação térmica consiste na emissão de raios infravermelhos porum corpo, verificando-se que quanto maior a temperatura, maior a intensidade de energiairradiada.

Poder emissivo (E) de um corpo é a relação entre a potência emitida e a área dasuperfície emitente:

OTPE

A= unidade: W/m2 (SI)

Considere um corpo no qual incide energia radiante com uma certa potência. Dessaenergia incidente, parte é refletida, parte é absorvida e parte é transmitida (atravessa-o).

Para qualquer corpo, vale a chamada Lei de Kirchhoff: “para cada temperatura,qualquer corpo apresenta emissividade e absorvidade iguais (a = e)”.

Assim, todo corpo bom absorvedor é também um bom emissor.

Para uma mesma temperatura, o maior poder emissivo é o do corpo negro, para o qual vale aLei de Stefan-Boltzmann:

4

CNE T=8

2 45,67.10

W

m K −=

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A emissividade e de um corpo qualquer é a grandeza adimensional dada pela relação entre opoder emissivo desse corpo e o poder emissivo do corpo negro à mesma temperatura:

CN

Ee

E= eCN = 1

Tendo em vista a Lei de Stefan-Boltzmann podemos escrever o poder emissivo de um corpoqualquer como sendo:

Assim, a potência com a qual um corpo emite radiação será dada por:

Se o corpo estiver em um ambiente cuja temperatura é Tamb, ele absorve energia com umapotência Pabs cujo valor será

4

4

CN

E Ee e E e T

E T

= = =

4

abs ambP e AT=

4

emi corpoP e AT=

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( )4 4

líquida emi abs líq ambP P P P e A T T= − = −

se o corpo estiver em equilíbrio térmico com o meio, então a perda líquidade potência será nula

Portanto, a potência líquida emitida pelo corpo será dada por:

➢ Obs.: o calor do Sol chega à Terra através de irradiação térmica

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✓ Garrafa térmica (frasco de Dewar)A parte de dentro da garrafa é feita de uma parede dupla de vidro, que é um mau

condutor de calor. O espaço entre as paredes é evacuado para minimizar as transferências decalor por condução e convecção. O vidro é recoberto com uma camada de prata que refletepraticamente toda a radiação incidente, de modo a evitar as transferências de calor porirradiação.

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✓ Estufa

o vidro é transparente à radiação de comprimento de onda curto, mas é opaco à radiação decomprimento de onda longo. A energia “re-irradiada” pelas plantas tem comprimentos de ondalongos porque as plantas estão a uma temperatura relativamente baixa

energia radiante

ondas de calor

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o Sol emite ondas curtas, enquanto que a Terra fria emite ondas longas, a radiação terrestre.Vapor d’água, dióxido de carbono e outros “gases do efeito estufa” presentes na atmosferaretêm calor que, de outra forma, seria irradiado da Terra para o exterior

➢ Obs.: o efeito estufa na Terra

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✓ Aquecedor solar

Boiler: parte externa feita de açoinoxidável ou cobre, para impedir a perda de calor daágua por irradiação. O interior deve ser feito com umbom isolante térmico (poliuretano) para minimizar asperdas da água por condução

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➢ Obs.: a cachoeira de fumaça