Aquecimento e

arrefecimento de

sistemas

Daniela Pinto

Transferência de calor

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“Transferência de calor (ou calor) é energia térmica em trânsito devido a

uma diferença de temperaturas no espaço”

(Incropera et al., 2008).

Condução

Convecção

Condução Convecção

Daniela Pinto

Condução e Convecção

Os sistemas têm de estar em contacto e com temperaturas diferentes.

A energia transfere-se do sistema com temperatura mais alta para o

sistema a temperatura mais baixa, até se atingir o equilíbrio térmico.

A condução ocorre nos sólidos.

A convecção ocorre nos fluidos (líquidos, gases e plasma).

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Daniela Pinto

Condução

Fonte: www.terra.com.br/fisicanet

Transferência de energia de partículas mais

energéticas para partículas menos energéticas por

contacto direto.

Necessita obrigatoriamente de meio material para

se propagar mas não há transporte de matéria.

A transferência de energia ocorre ao longo de todo

o sólido ou entre sólidos que estejam em contacto. 4

Daniela Pinto

Estes choques transferem a energia de uma

partícula para outra partícula, ao longo do metal.

A sua agitação aumenta e chocam umas com as

outras, aumentando a sua energia interna cinética.

A chama transfere energia às partículas do metal.

Exemplo

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Daniela Pinto

Convecção

Transmissão através da agitação molecular e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio;

Movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas;

É o transporte de calor típico dos meios fluidos.

A convecção ocorre nas estrelas, no interior dos planetas (magma), nos oceanos, na atmosfera, quando se aquece a água ou o ar com um radiador.

Fonte:

www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br

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Daniela Pinto

O fluido quente sobe (é menos denso, porque as suas partículas têm uma energia cinética maior e estão mais afastadas)

Obrigando o fluido frio a descer (é mais denso, porque as suas partículas têm uma energia cinética menor e estão mais próximas)

Formando correntes de convecção até que se atinja o equilíbrio térmico.

Convecção

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Daniela Pinto

Mecanismo

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Daniela Pinto

Bons condutores de calor – Materiais que recebem e libertam energia na forma de calor mais rapidamente (ex: metais).

Maus condutores ou isoladores de calor – Materiais que recebem e libertam energia na forma de calor mais lentamente (ex: madeira, plástico, cortiça, líquidos e gases).

Condutividade térmica (K) – Capacidade ou rapidez que um material tem de transferir energia na forma de calor.

Condutividade Térmica

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Daniela Pinto

Condutividade térmica (K) – Quantidade de energia transferida como

calor que passa, por segundo, através de uma barra de um material com

um metro de comprimento (L) e um metro quadrado de secção (A), quando

a diferença de temperatura entre as extremidades da barra é de 1 ºC (∆)

ou 1 K (∆T).

A unidade SI de condutividade térmica é W m-1 K-1, mas utiliza-se muito o

W m-1 ºC-1.

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Daniela Pinto

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𝑄

∆𝑡= 𝐾. 𝐴.

∆𝜃

𝐿

Lei da condução térmica

Energia

transferida como

calor por

segundo (J/s)

Condutividade

térmica (W m-1 K-1)

Espessura (m)

Diferença de

temperatura (K)

Área (m2)

Daniela Pinto

Os materiais com uma condutividade

térmica baixa são os melhores isoladores

térmicos para as casas:

A energia transferida do exterior para o

interior, e do interior para o exterior da

casa, diminui muito e poupa-se energia

no aquecimento e arrefecimento da casa.

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Bons e maus condutores

Melhores condutores

• maiores valores da condutividade térmica

Melhores isoladores

• menores valores da condutividade térmica

Daniela Pinto

1ª Lei da Termodinâmica

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A energia total transferida na forma de calor (Q), trabalho (W) e radiação

(R), entre um sistema não isolado e a sua vizinhança, é igual à variação

da energia interna (∆Ei) desse sistema:

∆𝐸𝑖 = 𝑄 + 𝑊 + 𝑅

Ou desprezando a radiação:

∆𝐸𝑖 = 𝑄 + 𝑊

Daniela Pinto

Quando a energia interna aumenta (∆Ei > 0), porque o sistema recebe energia,

o seu valor é positivo.

Quando a energia interna diminui (∆Ei < 0), porque o sistema perde energia, o

seu valor é negativo.

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Convenção

Daniela Pinto

Tipos de Transformações

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Transformação irreversível – O sistema não pode voltar ao estado inicial

(ex: pedra a cair, prato a partir-se, furacões, tornados, relâmpagos e

apodrecimento da fruta).

Estas transformações ocorrem na natureza e são espontâneas.

Daniela Pinto

Tipos de Transformações

Para que estas transformações ocorram (não são espontâneas)

é necessário realizar trabalho e/ou fornecer energia na forma de calor.

• Para que a clara do ovo passe ao estado de clara

batida em castelo é necessário utilizar uma batedeira

que realize trabalho sobre o sistema. Passado algum

tempo, a clara batida desfaz-se e volta ao estado

líquido, tal como se encontrava inicialmente. 16

Transformação reversível – O sistema pode voltar ao estado inicial.

Daniela Pinto

Entropia

Medida da energia dissipada de um sistema, que não é utilizável na realização de trabalho.

Nas transformações irreversíveis e espontâneas, a desordem e a entropia dos sistemas aumentam (∆S > 0).

A entropia do Universo está a aumentar e a sua energia útil está a diminuir.

Nas transformações reversíveis, a entropia do sistema diminui (ΔS < 0) ou não varia (ΔS = 0 – ex: pêndulo em movimento). 17

Medida da desordem de um sistema

Daniela Pinto

2.ª Lei da Termodinâmica

É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a temperatura mais baixa para outro sistema a temperatura mais alta.

Numa transformação irreversível e espontânea, a energia útil do sistema diminui (parte da energia é dissipada) e a entropia aumenta.

É impossível receber energia como calor e transformá-la totalmente em trabalho (parte da energia é dissipada).

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Daniela Pinto

Máquinas Térmicas

As máquinas térmicas transformam calor em trabalho (ex: motor de um

automóvel, turbina e máquina a vapor).

Parte da energia fornecida à máquina na forma de calor (QQ) é

aproveitada para realizar trabalho (energia útil) e outra parte é dissipada

(QF) para a vizinhança como calor.

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Daniela Pinto

Máquinas Térmicas

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Daniela Pinto

Rendimento máquina térmica

Percentagem de energia que é aproveitada como trabalho. É sempre

inferior a 100 %, porque estas máquinas não transformam toda a energia

recebida em trabalho, dissipando uma parte para a sua vizinhança.

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Daniela Pinto

Máquina frigorifica

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A máquina frigorífica recebe trabalho, para depois usá-lo de

modo a retirar energia sob a forma de calor do seu interior,

transferindo-a por condução para seu exterior.

Transformam trabalho em calor.

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Máquina frigorifica

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Daniela Pinto

Eficiência

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𝑒 =𝑄2

𝑊

Calor retirado à fonte fria

Trabalho da fonte externa