Mecanismos de transferência de calor. Anjo Albuquerque

Transcrição

1 Mecanismos de transferência de calor 1

2 Mecanismos de transferência de calor Quando aquecemos uma cafeteira de alumínio com água ao lume toda a cafeteira e toda a água ficam quentes passado algum tempo. Ocorrem transferências de energia como calor. A cafeteira é aquecida por condução. A água contida no seu interior aquece por convecção. 2

3 Mecanismos de transferência de calor Condução Ocorre nos metais. Decorre rapidamente porque os metais têm eletrões livres (eletrões de condução) que colidem com os iões da rede metálica (iões positivos). O aumento de temperatura da base da cafeteira deve-se a um aumento da energia cinética dos corpúsculos. Este processo continua até que toda a cafeteira fique à mesma temperatura. 3

4 Mecanismos de transferência de calor Convecção A água contida no interior da cafeteira aquece (aumenta a sua temperatura) porque os corpúsculos constituintes da água adquirem maior energia cinética. A quantidade de líquido que se encontra mais próxima da fonte de calor aquece, expande-se e torna-se menos densa. A água quente (menos densa) tem tendência a subir, sendo substituída pela água fria (mais densa) que tem tendência a descer. Ocorre, assim, uma circulação contínua de correntes: A água quente desloca-se para cima. A água fria movimenta-se para baixo. Estas correntes designam-se por correntes de convecção. Repete-se enquanto o fluído não estiver todo à mesma temperatura. O processo termina quando todo o fluído estiver à mesma temperatura. 4

5 Mecanismos de transferência de calor 5

6 Mecanismos de transferência de calor 6

7 Observação de correntes de convecção Energia emitida pela Terra e enviada para o Espaço. 7

8 Observação de correntes de convecção As correntes de convecção originam os ventos e regulam o clima do nosso planeta. As zonas perto do equador recebem mais radiação solar por unidade de área devido à inclinação do eixo de rotação da Terra. O ar quente sobe assim a partir do equador e origina correntes de convecção na atmosfera terrestre. 8

9 Correntes de convecção Brisas Marítimas Durante o dia a radiação solar aquece a superfície terrestre. O ar quente sobe, sendo substituído pelo ar frio que desce em direção ao mar. Durante a noite o mar tem uma temperatura mais elevada do que a terra. O ar quente sobe a partir do mar sendo substituído pelo ar frio que desce em direção à superfície terrestre. 9

10 EXERCÍCIO Exercício 1 Observa a figura que mostra um recipiente com água a ser aquecido à chama de um fogão a gás. a) Indica quais são as transferências de energia que ocorrem nesta situação. b) Qual é o mecanismo de transferência de energia como calor, que permite ao recipiente aquecer, decorrido um certo intervalo de tempo? c) Explica como se processa a transferência de calor na água. 10

11 Condutores e isoladores de calor O calor não se transfere com a mesma facilidade através de todos os materiais. Há materiais bons e maus condutores térmicos: Os metais e ligas metálicas são os melhores condutores do calor. Os sólidos não metálicos são, de um modo geral, maus condutores de calor, assim como os líquidos. Os gases são os piores condutores do calor. 11

12 Condutores e isoladores de calor A quantidade de calor que atravessa, por segundo, uma parede exterior, com espessura L, de uma habitação depende dos seguintes fatores: é diretamente proporcional à área da parede. é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o interior da habitação e o exterior. é inversamente proporcional à espessura da parede Nas nossas casas devemos escolher materiais de construção que sejam bons isolantes térmicos, isto é, materiais maus condutores do calor. Deste modo minimizam-se as transferências de calor para o exterior. 12

13 Condutores e isoladores de calor Radiação Solar 13

14 Condutores e isoladores de calor 14

15 Condutores e isoladores de calor U coeficiente de condutividade térmica 15

16 Condutores e isoladores de calor Energia emitida pela Terra e enviada para o Espaço. Radiação Solar 16

17 Condutores e isoladores de calor 17

18 Condutores e isoladores de calor Exercício 2 18

19 Exercício 3 (FQA EE) Exercícios Através das janelas de vidro simples, há transferência de energia entre o exterior e o interior de uma habitação, sob a forma de calor, por condução. a) O vidro dessa janela, de condutividade térmica 0,8Wm -1 K -1, tem 1,5m de altura, 1,2m de largura e 5,0mm de espessura. Qual das expressões seguintes permite calcular a energia transferida, sob a forma de calor, através do vidro dessa janela, em cada segundo, se a diferença de temperatura entre o exterior da habitação e o interior da sala for 10 ºC? b) Explique o facto de a condutividade térmica dos gases ser, geralmente, muito inferior 19 à dos sólidos.

20 Exercício 4 (FQA ª fase) As paredes dos igloos, abrigos tradicionalmente usados pelos esquimós, são feitas de blocos de gelo ou de neve compacta. Se, num igloo, o gelo fosse substituído por betão, a espessura da parede do igloo deveria ser maior, para que, considerando uma mesma diferença de temperatura entre as faces interior e exterior dessa parede, a energia transferida por unidade de tempo fosse a mesma. Que conclusão se pode retirar da afirmação anterior? 20

21 Exercício 5 FQA ª fase A placa de cobre, maciça e homogénea, de espessura l, representada na figura seguinte, permite a dissipação de energia de uma fonte quente (placa metálica X), mantida a uma temperatura constante, Τ X, para uma fonte fria (placa metálica Y), mantida a uma temperatura constante, Τ Y. a) Identifique o mecanismo de transferência de energia como calor entre as placas X e Y, através da placa de cobre. b) Identifique a propriedade física que permite distinguir bons e maus condutores de calor. 21

22 c) Selecione a única alternativa que permite obter uma afirmação correta. Se a placa de cobre for substituída por outra, idêntica, mas com metade da espessura, a energia transferida por unidade de tempo, entre as placas X e Y, 22

23 Exercício 6 Exercício 7 23

24 TABELA 24

25 Condutividade térmica de materiais a 27 C (300 K) 25