SUMÁRIO: Mecanismos de transferência de energia por calor em sólidos e fluidos: condução e convecção. Condutividade térmica. Bons e maus condutores.

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3 SUMÁRIO: Mecanismos de transferência de energia por calor
em sólidos e fluidos: condução e convecção. Condutividade térmica. Bons e maus condutores de calor. Resolução de exercícios e problemas para consolidação dos conteúdos lecionados. SUMÁRIO:

4 CONDUÇÃO E CONVECÇÃO CONDUÇÃO: Mecanismo de transferência de energia como calor que ocorre devido à transferência de energia das partículas mais agitadas (a maior temperatura) para as mais lentas (a menor temperatura). As partículas mais agitadas propagam a agitação às partículas vizinhas havendo assim transferência de energia sem transporte de matéria. A B Condução de calor: entre a resistência elétrica de um jarro elétrico e a água (A) e ao longo de uma colher metálica mergulhada numa sopa quente (B).

5 CONDUÇÃO E CONVECÇÃO CONVECÇÃO: Mecanismo de transferência de energia como calor que ocorre em fluidos (líquidos e gases) acompanhado de movimentos do próprio fluído que são designados de correntes de convecção. Nos sólidos só é possível transferir energia sob a forma de calor por condução; nos fluidos pode transferir-se energia sob a forma de calor por condução e/ou convecção, sendo o segundo mais eficaz. Correntes de convecção

6 Conceitos como: - Convecção Permitem explicar fenómenos como: A “brisa” marítima de dia A “brisa” terrestre à noite

7 Exercício resolvido Considere as seguintes afirmações: I) O aquecimento de muitas salas de aula é conseguido usando radiadores térmicos. II) Um jarro elétrico é um eletrodoméstico utilizado para o aquecimento de água. 1. Qual é o mecanismo de transferência de energia como calor que permite o aquecimento de toda a sala de aula? 2. Que mecanismo de transferência de energia como calor ocorre entre a resistência do jarro elétrico e a água? 3. Descreva os processos referidos nas alíneas anteriores.

8 Proposta de resolução 1. Transferência de energia por convecção. 2. Transferência de energia por condução. 3. Na situação I, o ar junto ao radiador aquece, tornando-se menos denso. Esse ar sobe, dando origem a uma corrente “quente” ascendente. Ao subir, arrefece tornando-se mais denso e desce dando origem a uma corrente “fria” descendente. Estes processos repetem-se, ao longo do tempo, originando as correntes de convecção. Na situação II, como a resistência elétrica do jarro se encontra a uma temperatura superior à da água as suas partículas possuem maior agitação do que as partículas da água à sua volta. Estando em contacto com as partículas da água na vizinhança, os corpúsculos da resistência irão transferir parte da sua energia para essas partículas provocando o seu aquecimento.

9 Exercício proposto A densidade da água líquida varia ligeiramente e de forma muito peculiar com a temperatura: tem um valor máximo de 1 g cm–3 para a temperatura de 4 ºC. Tendo em conta esta informação e o modo como o mecanismo de convecção se processa, explique porque é que os lagos congelam de cima para baixo.

10 Proposta de resolução No inverno a água à superfície do lago vai arrefecendo, tornando- se mais densa, dando origem a uma corrente descendente de água fria. Por outro lado, a água mais quente do fundo do lago, menos densa, sobe criando uma corrente ascendente. Durante a subida esta água arrefece tornando-se novamente mais densa e o processo repete-se de forma que toda a água vai arrefecendo. Quando a água do fundo do lago atinge os 4ºC, como apresenta densidade máxima não volta a subir e o mecanismo de convecção deixa de ocorrer. A água à superfície do lago continua a arrefecer, agora por condução, até atingir a temperatura de 0ºC. Assim, é a água à superfície que atinge a temperatura de congelação.

11 CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Se um cilindro de área de base A e comprimento L, estiver em contacto, através das suas extremidades, com uma fonte “quente” à temperatura TQ e com uma fonte “fria” à temperatura TF, a taxa temporal de transferência de energia, sob a forma de calor, por condução será dada por:

12 A taxa temporal de transferência de energia, sob a forma de calor, por condução através de um material é inversamente proporcional à sua espessura e diretamente proporcional à área transversal e à diferença de temperatura nas suas extremidades. Paralelepípedos sujeitos a uma diferença de temperatura entre as faces esquerda e direita (A) e nas faces superior e inferior (B). Se a diferença de temperatura aplicada nas extremidades do paralelepípedo for igual nas duas situações, a taxa temporal de transferência de energia será maior no segundo caso (B), pois apresenta uma maior área e uma menor espessura.

13 CONDUTIVIDADE TÉRMICA: Grandeza física que mede a capacidade de uma substância conduzir o calor. Pode ser definida como a energia transferida sob a forma de calor por unidade de tempo através de uma superfície com 1 m2 de área e 1 m de espessura quando a diferença de temperatura entre as duas faces dessa superfície é 1 K. TABELA I – VALORES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE ALGUNS MATERIAIS

14 A condutividade térmica do cobre é 401 W m-1 K-1
A condutividade térmica do cobre é 401 W m-1 K-1. Isto significa que entre os extremos de uma barra de cobre com 1 m de comprimento e 1 m2 de secção, transferem-se 401 J de energia, em cada segundo, quando a diferença de temperatura entre os extremos da barra for de 1 K (ou 1 ºC). TABELA I – VALORES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE ALGUNS MATERIAIS

15 Um bom condutor térmico apresenta uma condutividade térmica elevada enquanto um isolador térmico apresenta uma condutividade térmica baixa. A B A prata é um bom condutor térmico (A) e a madeira um bom isolador térmico (B). De uma maneira geral, nos líquidos, a condutividade térmica é inferior à dos sólidos metálicos. E nos gases a condutividade térmica é ainda menor, uma vez que as partículas dos gases estão muito afastadas umas das outras, comparativamente com as dos líquidos e as dos sólidos.

16 Exercício resolvido A potência média transmitida por uma janela de uma habitação com forma retangular de área A, com vidro simples de espessura L, quando sujeita a uma diferença de temperatura DT, é de 750 W. Sendo a taxa de transmissão de energia sob a forma calor, por condução, através da janela, dada por e mantendo todas as restantes variáveis constantes, indique como varia, a potência média transmitida pela janela se: a) se duplicar a diferença de temperatura entre o interior e o exterior da janela. b) se duplicar a largura da janela. c) se substituir o vidro por madeira, mantendo-se as dimensões.

17 Proposta de resolução a) Se a diferença de temperatura entre o interior e o exterior da janela duplicar, a taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução entre os dois meios (interior e exterior) também duplica. b) Se a largura da janela duplicar, a área A também duplica logo a taxa temporal de transmissão de energia sob a forma de calor, por condução, entre os dois meios duplica. c) Como kvidro > kmadeira a taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução, diminui pois no caso do vidro esta será superior à da madeira.

18 Exercício proposto Com base nos valores apresentados na tabela I (página 143): Explique porque se utiliza espuma de poliuretano no revestimento das paredes de muitas habitações. Explique porque se opta por vidros duplos ao invés de vidros simples. Proposta de resolução 2. A taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução numa janela com vidro duplo é inferior à de uma janela com vidro simples, uma vez que o valor da condutividade térmica do ar é muito reduzido. Além disso, a reduzida espessura entre os dois vidros dificulta também a transferência de energia sob a forma de calor, por convecção. Proposta de resolução 1. Como o valor da condutividade térmica da espuma de poliuretano é muito reduzido, muito inferior ao do betão, esse material é um bom isolador térmico. Assim, a taxa temporal de transmissão de energia, sob a forma de calor, por condução no caso desta espuma de poliuretano é inferior à de outros materiais de construção, pelo que minimiza as trocas de energia com o exterior por unidade de tempo.