Propagação do calor. Condução térmica

Transcrição

1 Propagação do calor A propagação do calor entre dois sistemas pode ocorrer através de três processos diferentes: a condução, a convecção e a irradiação. Condução térmica A condução térmica é um processo de propagação do calor em que a energia é transferida de partícula para partícula, através de agitação atômico-molecular. O fogo faz os átomos da extremidade moverem cada vez mais rápido. Esses átomos e elétrons livres colidem com seus vizinhos e assim por diante. Esse processo de múltiplas colisões continua até que o aumento do movimento seja transmitido a todos os átomos, aquecendo o corpo inteiro. se destaca nos sólidos

2 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 pelos espaços com ar que elas contêm.

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

4 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 fluxo térmico não apresenta variações com o tempo. Em cada um dos pontos do condutor a temperatura permanece constante

5 Lei de Fourier Considere um cilindro condutor no qual se estabeleça um regime estacionário de condução térmica: Experimentalmente, verifica-se que o fluxo térmico é dado por: coeficiente de condutibilidade térmica (condutividade térmica) área da secção transversal Para placas de espessura e temos: Q = = t Q = = t K. A. L K. A. e

6 Convecção térmica A convecção térmica é um processo de propagação de energia que ocorre apenas nos fluidos, uma vez que há movimentação das partículas diferentemente aquecidas no interior do meio, não podendo ocorrer nos sólidos. Esse movimento de partículas acontece por diferença de densidade entre as diversas partes do fluido, causada pela diferença de temperatura. Quando o fluido é aquecido por baixo, as moléculas do líquido que estão no fundo passam 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 o fluido para cima. correntes de convecção

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8 Inversão térmica Quando 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 ar poluído para cima. No entanto, nos dias frios, o ar próximo ao solo está mais frio que o das camadas mais altas e, assim, não há convecção para cima.

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10 Brisas Quando 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 quente que a água. Portanto, o ar quente próximo da terra sobe, abrindo espaço para o ar frio que vem da região sobre o mar. À noite a situação se inverte.

11 Ar-condicionado Os 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 mesmo tempo o ar quente sobe.

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13 Congeladores

14 Granizo

15 Irradiação térmica A chamada irradiação térmica consiste na emissão de raios infravermelhos por um corpo, verificando-se que quanto maior a temperatura, maior a intensidade de energia irradiada. Poder emissivo (E) de um corpo é a relação entre a potência emitida e a área da superfície emitente: E P = OT unidade: W/m 2 (SI) A Considere um corpo no qual incide energia radiante com uma certa potência. Dessa energia 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 a Lei de Stefan-Boltzmann: ECN = T 4 = 5, W mk 2 4

16 A emissividade e de um corpo qualquer é a grandeza adimensional dada pela relação entre o poder emissivo desse corpo e o poder emissivo do corpo negro à mesma temperatura: e E E = e CN = 1 Tendo em vista a Lei de Stefan-Boltzmann podemos escrever o poder emissivo de um corpo qualquer como sendo: CN Assim, a potência com a qual um corpo emite radiação será dada por: CN E E e = e E e T 4 E = T = 4 P emi = e AT 4 corpo Se o corpo estiver em um ambiente cuja temperatura é T amb, ele absorve energia com uma potência P abs cujo valor será P abs = e AT 4 amb

17 Portanto, a potência líquida emitida pelo corpo será dada por: ( 4 4 ) P = P P P = e A T T líquida emi abs líq amb se o corpo estiver em equilíbrio térmico com o meio, então a perda líquida de potência será nula Obs.: o calor do Sol chega à Terra através de irradiação térmica

18 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 de calor por condução e convecção. O vidro é recoberto com uma camada de prata que reflete praticamente toda a radiação incidente, de modo a evitar as transferências de calor por irradiação.

19 Estufa energia radiante ondas de calor o vidro é transparente à radiação de comprimento de onda curto, mas é opaco à radiação de comprimento de onda longo. A energia re-irradiada pelas plantas tem comprimentos de onda longos porque as plantas estão a uma temperatura relativamente baixa

20 Obs.: o efeito estufa na Terra 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 atmosfera retêm calor que, de outra forma, seria irradiado da Terra para o exterior

21 Aquecedor solar Boiler: parte externa feita de aço inoxidável ou cobre, para impedir a perda de calor da água por irradiação. O interior deve ser feito com um bom isolante térmico (poliuretano) para minimizar as perdas da água por condução

22 Obs.: a cachoeira de fumaça