3.4. Condutividade térmica

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1 3.4. Condutividade térmica

2 Condução térmica Mecanismo de transferência de calor que exige o contacto entre os sistemas. Aquecimento de um objeto metálico A extremidade que não está em contacto direto com a fonte de calor também vai aumentando gradualmente a sua temperatura. Na tenaz há transferência de energia por condução térmica. Há propagação de energia ao longo do metal.

3 Condução térmica Mecanismo de transferência de calor por condução num corpo. Aquecimento de um corpo Corpo metálico (Sólido) Extremidade em contacto com a fonte de calor Fonte de energia A condução térmica é desprezável nos líquidos e gases devido ao maior afastamento das partículas.

4 Condução térmica Mecanismo de transferência de calor por condução num corpo. Aquecimento de um corpo ENERGIA As partículas da extremidade aquecida de um objeto recebem energia e, por isso, agitam-se mais. Essa agitação propaga-se às partículas vizinhas e destas às outras, ao longo do objeto.

5 Condução térmica Mecanismo de transferência de calor por condução num corpo. Aquecimento de um corpo As partículas agitam-se em torno das suas posições médias de equilíbrio, mas não se deslocam ao longo do material. ENERGIA O aumento da agitação corpuscular traduz-se em aumento de temperatura, o que se verifica em todo o objeto.

6 Condução térmica A condução térmica também ocorre entre corpos em contacto. Aquecimento de uma barra metálica com clips presos com cera. Há condução térmica ao longo da barra metálica. Há condução térmica da barra para a cera. A cera começa a fundir, no sentido da ponta mais quente da barra para a mais fria, caindo os clips por essa ordem. último clip a cair 1º clip a cair Transferência de energia por condução térmica entre corpos em contacto.

7 Condução térmica A condução térmica de um corpo depende: Da sua geometria Do material de que é constituído Tamanho Forma Metal Lã Cortiça Plásticos Condutor térmico Energia transferida rapidamente Isolante térmico Energia transferida lentamente

8 Condutividade térmica A energia não é transferida como calor com a mesma rapidez por todos os materiais. Há materiais que cedem ou recebem energia como calor, por condução, muito rapidamente - bons condutores térmicos, e há materiais que, nas mesmas condições, cedem ou recebem energia como calor, de um modo muito mais lento - maus condutores térmicos. Os metais e as ligas metálicas são os materiais melhores condutores térmicos. Sólidos não metálicos como a madeira, a esferovite e a borracha são maus condutores térmicos. Nos líquidos e gases a condução térmica é muito lenta.

9 Condutividade térmica Materiais diferentes, com a mesma forma e nas mesmas condições, conduzem a energia como calor de forma mais ou menos rápida. Dizemos que têm condutividades térmicas diferentes. A condutividade térmica é uma característica do material: Um material com uma condutividade térmica elevada, é um material bom condutor térmico; Um material com uma condutividade térmica baixa, é um material mau condutor térmico, ou seja, é um bom isolador térmico.

10 Condutividade térmica Consideremos a parede exterior de uma casa com espessura e com área A. Seja a temperatura T 2 a temperatura no interior da casa e T 1 a temperatura no exterior. Verifica-se que a quantidade de energia como calor que atravessa essa parede por unidade de tempo é diretamente proporcional à sua área e à diferença de temperatura entre as duas faces, inversamente proporcional à espessura da parede e depende do material de que esta é feita. A relação entre estas grandezas pode expressar-se da seguinte forma: Q t k A T e é conhecida por Lei da condução térmica.

11 Condutividade térmica Resolvendo a expressão em ordem a k, temos que: k Q t A T Verifica-se que a unidade de condutividade térmica no SI é o watt por metro kelvin, W m -1 K -1.

12 Condutividade térmica de um material Grandeza que caracteriza um material quanto à rapidez com que nele a energia se transfere por condução térmica. Condutividade térmica, k Relaciona-se com a taxa temporal de transferência de energia como calor por condução térmica.

13 Condutividade térmica de um material Grandeza que caracteriza um material quanto à rapidez com que nele a energia se transfere por condução térmica. Material Prata 427 Cobre 397 Alumínio 238 Condutividade térmica de alguns materiais: condutores térmicos. Material Borracha 0,19 Lã pura 0,04 Cortiça 0,04 Condutividade térmica de alguns materiais: isoladores térmicos. Condutividade térmica, k Tem um valor elevado para os bons condutores térmicos e um valor baixo para os isoladores térmicos.

14 Condutividade térmica A diferente sensação de quente e frio ao tocar em objetos à mesma temperatura deve-se ao facto destes terem condutividades térmicas diferentes. Exemplo: Porta e puxador à mesma temperatura (T. ambiente) O puxador metálico possui uma condutividade elevada. Quando tocamos com a mão a energia é rapidamente transferida para o puxador, daí a sensação de frio. A porta de madeira possui uma condutividade baixa. Quando tocamos com a mão a energia é transferida mais lentamente, dando a sensação que esta se encontra menos fria que o puxador.

15 Condutividade térmica Quando colocamos a mão no puxador metálico de uma porta de madeira e, em seguida, na própria porta, o puxador parece-nos mais frio. Embora os dois materiais estejam à temperatura ambiente. A sensação de frio que temos ao tocar no puxador metálico deve-se ao facto de a condutividade térmica do metal ser muito superior à da madeira; o metal cede e recebe energia como calor muito mais rapidamente do que a madeira.

16 Condutividade térmica Existem inúmeras aplicações práticas do fenómeno da condução térmica. Umas vezes é desejável que esta se faça de uma forma rápida e outras vezes é desejável que se faça de uma forma muito lenta, isto é, é desejável o isolamento térmico.

17 Convecção térmica Mecanismo de transferência de calor que ocorre apenas em líquidos e gases. Líquidos e gases podem transferir energia por calor através de outro mecanismo: Convecção térmica Correntes de convecção no aquecimento de água contendo partículas de permanganato de potássio. A fonte de energia é a chama à direita. Termograma de um aquecedor evidenciando uma temperatura maior do fluido na zona superior.

18 Convecção térmica Mecanismo de transferência de calor por convecção. Aquecimento de um líquido Porções de fluido deslocam-se: - O fluido mais quente e menos denso sobe Corrente ascendente - O fluido mais frio e mais denso desce Corrente descendente Correntes de convecção Fonte de energia

19 Convecção térmica Mecanismo de transferência de calor por convecção. Aquecimento de um líquido Fluido a temperatura superior (menos denso) Fluido a temperatura inferior (mais denso) O fluido aquece continuamente através da deslocação de matéria (o próprio fluido).

20 1.3.6 Convecção térmica Convecção térmica Mecanismo de transferência de calor por convecção. Aquecimento de um gás A convecção processa-se do mesmo modo nos gases. Ar mais quente Correntes de convecção Ar mais frio O fluido aquece continuamente através da deslocação de matéria (o próprio fluido).

21 Convecção térmica As correntes de convecção são aproveitadas pelas aves e pelos praticantes de asa-delta ou de parapente. As correntes de convecção são importantes na renovação do ar junto ao solo: As correntes de convecção permitem a dispersão de gases poluentes.

22 RADIAÇÃO SOLAR NO AQUECIMENTO COLETORES SOLARES Absorvem a radiação solar incidente numa superfície, aumentando a sua energia interna. Luz Solar COLETOR SOLAR Energia Interna

23 Coletores solares Num coletor solar, a radiação é aproveitada para aquecer um fluido que circula no seu interior. Num coletor solar, há transferências de energia por radiação, condução e convecção.

24 Coletor solar Os coletores solares aproveitam a radiação solar para aquecer fluidos, que são normalmente água ou ar, que circulam no interior de tubos. No funcionamento do coletor solar, verificam-se os três mecanismos de transferência de energia como calor: radiação, condução e convecção. Existem vários modelos de coletores solares, no entanto o mais comum é o coletor solar plano. Esquema de um coletor solar plano.

25 Coletor solar Um coletor solar é constituído por uma superfície absorsora e por elementos de proteção térmica e mecânica. Coletor - Constituição Os vários componentes encontram-se numa caixa que dá rigidez ao coletor e que o protege de agentes atmosféricos.

26 Coletor solar Um coletor solar é constituído por uma superfície absorsora e por elementos de proteção térmica e mecânica. Coletor - Constituição Deixa entrar radiação mas não a deixa sair na totalidade, provocando efeito de estufa. Geralmente de vidro ou acrílico. Cobertura transparente Placa coletora Tubo de aquecimento Material isolante

27 Coletor solar Um coletor solar é constituído por uma superfície absorsora e por elementos de proteção térmica e mecânica. Coletor - Constituição Absorve radiação, sendo normalmente de metal e de cor negra. Cobertura transparente Placa coletora Tubo de aquecimento Material isolante

28 Coletor solar Um coletor solar é constituído por uma superfície absorsora e por elementos de proteção térmica e mecânica. Coletor - Constituição Soldado à placa coletora, aquece por condução térmica. No seu interior circula o fluido que aquece por convecção térmica. Cobertura transparente Placa coletora Tubo de aquecimento Material isolante

29 Coletor solar Um coletor solar é constituído por uma superfície absorsora e por elementos de proteção térmica e mecânica. Coletor - Constituição Cobertura transparente Placa coletora Tubo de aquecimento Evita transferências de energia por calor para o exterior. Material isolante

30 Coletor solar É constituído por: - cobertura transparente à radiação para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor. - placa absorsora: feita em material negro que absorve grande parte da radiação proveniente do sol. Junto a esta placa estão associados tubos metálicos de cobre, porque este é bom condutor de calor, pintados de negro que aquecem por condução. No interior dos tubos metálicos circula a água que aquece por convecção. (Para obter maiores rendimentos existem superfícies seletivas que absorvem como um corpo negro mas perdem menos radiação.) - caixa isolada: diminui as perdas de energia para o exterior.

31 Coletor solar

32 Instalação de um coletor solar O coletor solar é instalado no telhado de uma casa para receber mais radiação. Água quente Água fria Bomba Esquema de um coletor solar instalado numa casa.

33 Instalação de um coletor solar Configuração mais utilizada O fluido térmico circula em circuito fechado (A), transferindo calor para a água de consumo (B) que se encontra no depósito. A circulação do fluido faz-se através de circulação forçada, ou seja, utilizando uma bomba. A Bomba Água quente para consumo B Água fria

34

35 Atividade Considere o esquema do coletor solar seguinte. Saída de água coletor Reservatório Entrada de água Classifique as afirmações em verdadeiras (V) ou falsas (F). A - A placa coletora é preta para uma maior absorção de calor por radiação. B No processo de aquecimento, não há transferência de calor por condução. C - No reservatório há transferência de calor por convecção térmica. D - A cobertura superior do coletor transparente permite o efeito de estufa na placa.

36 Atividade Considere o esquema do coletor solar seguinte. SOLUÇÃO coletor Reservatório Saída de água Entrada de água Classifique as afirmações em verdadeiras (V) ou falsas (F). A - A placa coletora é preta para uma maior absorção de calor por radiação. V B No processo de aquecimento, não há transferência de calor por condução. F C - No reservatório há transferência de calor por convecção térmica. V D - A cobertura superior do coletor transparente permite o efeito de estufa na placa. V

37 Coletores solares Basicamente, um coletor solar plano é constituído por: Uma caixa externa com isolamento térmico. Tubos condutores absorsores em serpentina, em geral de cobre devido à sua alta condutividade térmica e resistência à corrosão, através dos quais o fluido que se pretende aquecer circula. Estes tubos são, normalmente, revestidos de um material negro na parte exposta ao Sol. O fluido é, em geral, água com um anticongelante, para evitar o seu congelamento em épocas mais frias. Uma placa de absorção ou placa coletora, normalmente de alumínio ou de cobre e pintada de preto fosco, que absorve a radiação solar, e à qual estão soldados os tubos condutores por onde circula o fluido. Uma cobertura transparente, que permite a passagem da radiação solar que incide no coletor, mas que é opaca à radiação infravermelha emitida, originando um efeito de estufa. Esta cobertura minimiza também as perdas de energia como calor, por convecção, para o exterior.

38 Coletores solares Funcionamento de um coletor solar plano fechado: A radiação solar incide na cobertura transparente e propaga-se até atingir a placa de absorção e esta aquece; Os tubos condutores absorsores onde circula o fluido aquecem, por condução, e com eles o fluido onde se geram correntes de convecção; A radiação infravermelha emitida pelos materiais do coletor solar fica retida no seu interior, pois o vidro (ou acrílico) é opaco a essa radiação, o que vai contribuir para um maior aumento da temperatura do fluido; O fluido que circula nos tubos condutores do coletor depois de aquecido vai circular nos tubos que se encontram dentro do depósito com a água que se pretende aquecer; Por transferência de energia como calor, a água aquece; Como o fluido cede energia como calor à água do depósito, a sua temperatura desce e regressa aos tubos condutores do coletor solar, mais frio, onde tudo recomeça.

39 Síntese de conteúdos A energia como calor que é transferida, por unidade de tempo, através de uma placa é: - diretamente proporcional à área da placa; - inversamente proporcional à espessura da placa; - diretamente proporcional à diferença de temperaturas entre as duas faces da placa; - depende da constante, k, designada por condutividade térmica, que é característica do material de que é feita a placa. A relação entre as grandezas anteriores escreve-se da seguinte forma: Q t k A T e é conhecida por Lei da condução térmica. Num coletor solar, há transferências de energia por radiação, condução e convecção.

40 Diagrama de conteúdos

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