Condutores e Isolantes Térmicos

Transcrição

1 Condutores e Isolantes Térmicos O calor se transfere dos objetos mais quentes para os mais frios. Se vários objetos a temperaturas diferentes estão em contato, os que estão mais quentes acabarão esfriando e os que estão mais frios acabarão esquentando. Eles tendem a alcançar uma temperatura comum. Essa uniformização térmica ocorre de 3 maneiras: condução, convecção ou radiação. Condução Mantenha a extremidade de uma agulha de ferro em cima de uma chama. Logo ela ficará quente demais para que se possa segurá-la. O calor penetra na agulha de metal pela extremidade mantida na chama e é transferido a toda ela. Esse modo de transmissão de calor é chamado de condução. O fogo faz os átomos da extremidade aquecida vibrarem mais rapidamente. Em conseqüência, esses átomos e elétrons livres colidem com seus vizinhos e assim por diante. Esse processo de múltiplas colisões continua até que o aumento no movimento seja transmitido a todos os átomos, e o corpo inteiro torna-se mais quente. A condução de calor ocorre por meio de colisões atômicas e eletrônicas. O quanto um determinado conduz bem o calor depende das ligações em sua estrutura atômica ou molecular. Os sólidos formados por átomos com um ou mais de seus elétrons mais externos fracamente ligados, são bons condutores de calor (e de eletricidade). Os metais possuem os elétrons externos mais fracamente ligados, que são livres para transportar energia por meio das colisões através do metal. Por essa razão eles são excelentes condutores de calor e eletricidade. A prata é o melhor condutor de todos seguido do cobre e entre os metais, o alumínio e depois o ferro são os próximos em ordem. Lã, madeira, papel, cortiça e isopor, por outro lado, são condutores pobres de calor. Os elétrons mais externos dos átomos desses materiais estão firmemente ligados. Os maus condutores de calor são chamados de isolantes. Como a madeira é um bom isolante, ela é usada pra revestir os cabos de utensílio de cozinha. Mesmo quando está quente, você pode agarrar o cabo revestido de madeira de uma panela com as mãos descobertas e rapidamente retirá-la do forno acesso sem queimar-se. Se o cabo fosse de ferro, à mesma temperatura, certamente você queimaria a sua mão. A madeira é um bom isolante mesmo quando ela está vermelha de quente, e é por essa razão que você já deve ter visto alguém caminha descalço sobre pedaços de carvão de madeira em brasa sem queimar os pés. O principal fator em caminhadas sobre brasas é a baixa condutividade térmica da madeira. Embora a temperatura do carvão em brasas seja relativamente alta, relativamente pouco calor é transferido para os pés, da mesma forma que pouco calor é transferido pelo ar quando você põe rapidamente sua mão dentro de um forno que esteja quente. No entanto se você encostar a mão em alguma parte metálica dentro do forno se queimará bastante! A maior parte dos líquidos e dos gases são maus condutores de calor. O ar é um péssimo condutor, motivo pelo qual, como mencionamos antes, você pode por sua mão

2 brevemente em um forno quente sem queimá-la. As boas propriedades isolantes de materiais como lã, peles e penas devem-se principalmente aos espaços com ar que elas contêm. Outras substâncias porosas são igualmente isolantes por causa de seus pequenos espaços cheios de ar. Se o ar não fosse um pobre condutor, você sentiria muito frio num dia a 20ºC! O gelo, usado para construir iglus, é um isolante térmico que impede que o interior fique ainda mais frio. Convecção Os líquidos e gases transmitem calor principalmente por convecção, que é a transferência de calor devido ao próprio movimento do fluido. Diferentemente da condução (em que o calor é transmitido através de sucessivas colisões de átomos e de elétrons) a convecção envolve o movimento de massa o movimento global de um fluido. Ela pode ocorrer em todos os fluidos, sejam líquidos ou gases. Se aquecermos água em uma panela, ou aquecermos o ar dentro de uma sala, o processo é o mesmo. 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-se menos denso o material e assim essa porção sobe. Fluido mais frio e mais denso, então, move-se de modo a ocupar o lugar do fluido agora mais quente do fundo. Dessa maneira, as correntes de convecção mantêm o fluido em circulação enquanto ele esquenta o fluido mais aquecido afastando-se da fonte de calor e o fluido mais frio movendo-se em direção à fonte de calor. Correntes de convecção na água

3 Radiação A energia vinda do Sol atravessa o espaço, depois a atmosfera terrestre para, então, aquecer a superfície da Terra. Essa energia não passa através da atmosfera por condução, pois o ar é um mau condutor. Também não passa por convecção, pois essa só tem início quando a Terra já está aquecida. Também sabemos que no espaço vazio não é possível haver transmissão de energia solar por condução. Assim, vemos que a energia deve ser transmitida de outra maneira por radiação. A energia transmitida dessa maneira é chamada de energia radiante. A energia radiante está na forma de ondas eletromagnéticas. Isso inclui as ondas de rádio, as microondas, a luz visível, a radiação ultravioleta, os raios X e os raios gama. QUESTÕES PARA DISCUSSÃO EM SALA QUESTÃO 1 RESPONDA: porque materiais como madeira, peles de animais, penas de aves e até mesmo a neve são bons isolantes? QUESTÃO 2 DISCUTA: um bom isolante impede o calor de atravessá-lo ou torna mais lenta a sua passagem? QUESTÃO 3 Se você se sente confortável no ar a 20ºC, porque a água a 20ºC lhe parece tão fria quando você está nadando nela? QUESTÃO 4 - RESPONDA: a que temperatura comum um bloco de madeira e outro de metal não lhe parecerão nem quentes nem frios ao toque.

4 QUESTÃO 5 DISCUTA: porque você consegue manter seus dedos lateralmente próximos da chama de uma vela, mas não consegue fazer o mesmo com os dedos mantidos acima da mesma chama? QUESTÃO 6 PESQUISE e EXPLIQUE como é feita o isolamento térmico de uma garrafa térmica. QUESTÃO 7 - FAÇA distinção entre condutor e isolante. QUESTÃO 8 PESQUISE sobre o que é exatamente a energia radiante.

5 QUESTÃO 9 - EXPLIQUE porque uma panela é feita de metal, mas o cabo é geralmente de plástico ou madeira? QUESTÃO 10 ENROLE um casaco ao redor de um termômetro. RESPONDA: a temperatura se elevará. FAÇA ESSE EXPERIMENTO E APRESENTE O RESULTADO!!!! Referências bibliográficas: Física Conceitual, Paul G. Hewitt, 9ª edição Próprio autor