Entre sistemas a temperaturas diferentes a energia transfere-se do sistema com temperatura mais elevada para o sistema a temperatura mais baixa.

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1 Sumário Do Sol ao Aquecimento Unidade temática 1. Mecanismos de transferência de calor: a radiação, a condução e a convecção. O coletor solar e o seu funcionamento. Materiais condutores e isoladores do calor. Condutividade térmica de um metal. Mecanismos de transferência de calor Entre a temperaturas diferentes a energia transfere-se do sistema com temperatura mais elevada para o sistema a temperatura mais baixa. Como poderá ocorrer essa transferência de energia? A transferência de energia pode ser feita por radiação, condução e convecção. 1

2 Radiação A radiação é um dos modos de transferência de energia sob a forma de calor. Neste mecanismo a energia encontra-se sob a forma de ondas eletromagnéticas e não necessita de um meio material de suporte para se propagar. A energia solar é transferida do Sol até ao nosso planeta por radiação. Condução A transferência de calor por condução verifica-se, principalmente nos sólidos. Neste mecanismo não há transporte de matéria, mas apenas interação entre partículas. Esta interação dá-se por colisões, partícula a partícula, em que as de maior energia cinética cedem parte dessa energia às partículas de menor energia. Esta transmissão é comunicada às partículas vizinhas e propaga-se ao longo de todo o sólido ou entre sólidos que estejam em contacto direto. 2

3 Condução A capacidade de transmissão de energia por condução varia com o tipo de material. Consideremos a seguinte experiência com três barras cilíndricas de diferentes materiais, por exemplo cobre, ferro e vidro mas, com tamanhos iguais e diâmetros iguais, em contacto com uma chama. Na extremidade oposta de cada barra encontra-se um grão de milho envolvido em cera. Será que os grãos caem ao fim do mesmo tempo de aquecimento? Condução 3

4 Convecção A convecção é um processo pelo qual o calor é transferido de um local para outro de um fluido. Pode ocorrer como resultado de diferenças de temperatura que originam um movimento de partículas no seio dos fluidos (líquidos e gases) ou por aplicação de uma força motriz externa. O aquecimento dos fluidos provoca um aumento da energia cinética das suas partículas, o que origina uma expansão do fluido e uma consequente diminuição da densidade. Assim, o fluido menos denso (quente) irá subir, obrigando o fluido mais denso (frio) a descer, dando origem a correntes de convecção. Convecção 4

5 Correntes de convecção As correntes de convecção que se formam na atmosfera são a maior causa do vento, das nuvens e das trovoadas. É o caso da brisa marítima e o vento continental. Quando o solo e a água estão expostos à radiação solar, o solo fica mais quente do que a água e junto às rochas, formam-se correntes de convecção ascendente que provocam a circulação do ar originando uma brisa marítima. De noite, o solo arrefece mais rapidamente e a água do mar fica mais quente, originando um vento continental. O coletor solar Os coletores solares são uma forma de aproveitamento da energia solar. Quais são os mecanismos de transferência de calor usados no seu funcionamento? 5

6 O coletor solar O coletor solar O coletor solar plano, é constituído por uma caixa isolada, coberta por uma placa de material transparente. No interior da caixa são colocados tubos por onde circula a água. O interior da caixa é pintado (ou revestido) de preto, para receber a energia do Sol e transformá-la em calor que é transmitido aos tubos por onde circula a água. A cobertura transparente permite a passagem dos raios solares, e serve para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor. 6

7 Materiais condutores e isoladores do calor Existem materiais que recebem ou cedem energia, como calor, mais rapidamente do que outros. Vejamos o exemplo de um tacho cujas asas não são metálicas... Assim, os materiais podem distinguir-se em: bons condutores maus condutores ou isoladores de calor. Os bons condutores recebem e cedem energia com maior rapidez e os maus condutores ou isoladores fazem-no de um modo mais lento. Os metais e ligas metálicas são os melhores condutores de calor e os sólidos não metálicos (por exemplo, a madeira e o plástico), os líquidos e os gases são maus condutores de calor. 7

8 Condutividade térmica de um metal Para quantificar a capacidade que os materiais têm de conduzir energia sob a forma de calor surgiu uma grandeza física a condutividade térmica, k. A condutividade térmica traduz a rapidez com que um determinado material conduz o calor, por unidade de tempo. Condutividade térmica de um metal A quantidade de calor transferida por condução, por unidade de tempo, (P = Q/ t), entre duas superfícies, é diretamente proporcional à área A das superfícies, e à diferença T entre as suas temperaturas, inversamente proporcional à espessura l e depende dos materiais que são feitas, k. 8

9 Condutividade térmica do cobre Condutividade térmica de outros materiais 9

10 Coeficiente de transmissão térmica, U Coeficiente de transmissão térmica de um elemento da envolvente - é a quantidade de calor por unidade de tempo que atravessa uma superfície de área unitária desse elemento da envolvente por unidade de diferença de temperatura entre os ambientes que ele separa. Valores do coeficiente de transmissão térmica, U usados em construção civil 10

11 Os materiais e a condutividade térmica Nos países quentes é importante reduzir o fluxo de calor do exterior para o interior da habitação, enquanto nos países frios é necessário evitar as perdas de calor do interior para o exterior. É aqui que, mais uma vez, os conhecimentos científicos da Física podem ser usados em nosso benefício e na melhoria das nossas condições de vida e conforto. 11

12 Os materiais e a condutividade térmica Com o recurso aos valores da condutividade térmica de diversos materiais, é possível escolher os que melhor isolam as habitações. Esses materiais são os que possuem uma condutividade térmica baixa, de modo a minimizar as perdas de energia numa habitação. Assim, por exemplo, deve usar-se madeira e cortiça para o revestimento interior das paredes e lã de vidro para o revestimento do telhado. A presença de paredes duplas, vidros duplos e janelas calafetadas é, também, uma boa forma de isolamento das habitações. Problema A temperatura do tapete da figura é maior ou menor do que a temperatura do azulejo onde se encontra o tapete? Justifique a resposta. Resposta: É igual. O material de que é feito o tapete tem uma condutividade térmica menor do que o material que é feito o azulejo. Passa energia dos pés mais rapidamente para o azulejo do que para o tapete dando a sensação de mais frio. 12

13 TPC Exercícios que ficarem por fazer da APSA Aplicações pág. 81. A radiação solar no aquecimento. 13