O fluxo de calor é um tema central da Física, especialmente na termodinâmica, pois explica como a energia térmica se transfere entre corpos ou sistemas. O estudo desse processo é essencial para compreender fenômenos do cotidiano e diversas aplicações tecnológicas.
Presente em situações que vão do funcionamento de eletrodomésticos a processos naturais que regulam o clima, o calor se propaga de diferentes maneiras. Entender seus mecanismos permite interpretar fenômenos práticos e é essencial em vestibulares.
Nesse texto, você vai entender o conceito de fluxo de calor, por que ele ocorre, seus três mecanismos principais (condução, convecção e radiação) e aplicações práticas. Acompanhe abaixo.
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Conceito de fluxo de calor
O calor é a energia térmica em trânsito, que se transfere de um corpo para outro devido à diferença de temperatura entre eles. Não se trata de algo armazenado, mas sim de um processo que ocorre até que os corpos atinjam o equilíbrio térmico.
O fluxo de calor (Φ) representa a taxa de transferência de energia térmica. Em outras palavras, é a quantidade de calor que passa por unidade de tempo. Sua definição matemática básica é:
Onde: Q é a quantidade de calor transferida e Δt é o intervalo de tempo.
As unidades mais comuns são o Joule por segundo (J/s), conhecido como Watt (W) no Sistema Internacional de Unidades (SI), e a caloria por segundo (cal/s).
Transferência de calor
Pela Lei Zero da Termodinâmica, quando dois corpos em diferentes temperaturas entram em contato, o calor flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura, até que ambos atinjam a mesma temperatura.
O fluxo de calor ocorre porque os sistemas tendem a buscar equilíbrio. Logo, esse comportamento explica desde o esfriamento de um café até o aquecimento de um quarto em dias ensolarados.
Existem três mecanismos principais pelos quais o calor pode se transferir:
- Condução
- Convecção
- Radiação
Cada um possui características próprias, embora frequentemente atuem de forma combinada em situações práticas.
+ Veja também: Calorimetria no Enem: conceitos, escalas, equilíbrio e mais!
Condução térmica
A condução é o processo pelo qual o calor se transfere por meio da vibração e colisão entre partículas, sem transporte perceptível de matéria. Esse mecanismo pode ocorrer em qualquer estado físico, mas é mais evidente nos sólidos.
Nos metais, a condução é especialmente eficiente, pois, além das vibrações atômicas, os elétrons livres também participam do processo, acelerando a propagação da energia térmica.
Condutores e Isolantes
- Condutores térmicos: são materiais que permitem grande transferência de calor, como o cobre e o alumínio; e
- Isolantes térmicos: são materiais que dificultam a propagação de calor, como madeira, isopor, vidro e o ar preso em materiais porosos.
Fatores que influenciam a condução
- Área de contato (A): maior área implica maior fluxo de calor;
- Diferença de temperatura (ΔT): quanto maior o desnível térmico, maior o fluxo;
- Comprimento ou espessura (L): quanto maior o caminho, menor o fluxo; e
- Condutividade térmica (k): característica do material, que mede sua eficiência em conduzir calor.
A relação entre esses fatores é descrita pela Lei de Fourier da Condução:
Onde: k é a condutividade térmica (W/(m⋅K)).
Exemplos práticos
- O aquecimento de uma barra metálica ao encostar uma das extremidades no fogo;
- A sensação de frio ao caminhar descalço sobre um piso de cerâmica;
- O uso de cabos de panela revestidos com materiais isolantes; e
- O isolamento térmico de paredes e telhados.
Convecção térmica
A convecção é a transferência de calor por meio do movimento de partículas. Nesses sistemas, as regiões mais quentes (menos densas) tendem a subir, enquanto as mais frias (mais densas) descem, criando correntes de convecção.
Esse tipo de fluxo, por depender da movimentação de partículas, ocorre exclusivamente em fluidos (líquidos e gases).
Tipos de convecção
- Natural: ocorre devido apenas às diferenças de densidade, sem auxílio externo. Exemplos incluem a circulação de água em uma chaleira ou as brisas marítimas; e
- Forçada: ocorre quando há a intervenção de agentes externos, como ventiladores, bombas ou ventos. É o caso de secadores de cabelo, ar condicionado e sistemas de refrigeração.
Exemplos práticos
- A fervura da água;
- A circulação de ar quente em ambientes fechados;
- O funcionamento de geladeiras e radiadores;
- O voo de balões de ar quente; e
- As correntes oceânicas e atmosféricas.
Radiação térmica
A radiação térmica é a transferência de calor por meio da emissão de ondas eletromagnéticas, principalmente na faixa do infravermelho. Diferente da condução e da convecção, não necessita de meio material para se propagar.
Nesse sentido, pode ocorrer no vácuo ou em meios transparentes, como ar ou vidro. Um exemplo prático é o calor do Sol chegando à Terra.
Características
- Todos os corpos acima do zero absoluto emitem radiação térmica;
- A intensidade e o tipo de radiação dependem da temperatura e das propriedades da superfície; e
- Superfícies escuras e foscas são bons absorvedores e emissores; superfícies claras e polidas são maus emissores e bons refletores.
Fatores que influenciam a radiação
- Temperatura: quanto maior, maior a radiação emitida;
- Área da superfície: superfícies maiores emitem mais calor;
- Propriedades da superfície: relacionadas à emissividade e à absortividade; e
- Temperatura do ambiente: influencia no balanço de energia.
A Lei de Stefan-Boltzmann descreve que a potência irradiada é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta:
Onde: ϵ é a emissividade da superfície, σ é a constante de Stefan-Boltzmann, A é a área e T a temperatura em Kelvin.
Exemplos práticos
- A sensação térmica ao se aproximar de uma fogueira;
- O funcionamento de garrafas térmicas, que utilizam vácuo e superfícies espelhadas para reduzir a radiação; e
- O efeito estufa e as câmeras termográficas.
Comparação e ocorrência combinada
Embora cada mecanismo possua características distintas, é comum que atuem de forma simultânea. Por exemplo:
- Em uma barra metálica aquecida, a condução é dominante;
- Na fervura de um líquido, a convecção prevalece; e
- No aquecimento da Terra pelo Sol, a radiação é o principal mecanismo.
O isolamento térmico funciona exatamente ao dificultar um ou mais desses mecanismos. Nas garrafas térmicas, o vácuo entre as paredes reduz condução e convecção, enquanto as superfícies espelhadas diminuem a radiação.
Questão do vestibular sobre fluxo de calor
Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) 2016
Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível. Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido.
I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar o fluxo de energia térmica até o congelador por _________________.
II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por _________________.
III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por _________________.
Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são:
A) condução, convecção e radiação.
B) condução, radiação e convecção.
C) convecção, condução e radiação.
D) convecção, radiação e condução.
Resposta:
I. Convecção. Como a convecção é a transferência de calor pelo movimento do próprio fluido, e sabendo que quando o ar está mais frio ele aumenta sua densidade e desce, se as prateleiras não fossem vazadas não haveria a troca de ar por convecção.
II. Radiação. A radiação é um processo de transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, que são comumente chamadas de radiação térmica. Como tanto a convecção e a condução precisam de um meio, a radiação é o único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo.
III. Condução. Como a condução ocorre pela colisão dos átomos vizinhos, portanto, necessitando de um meio. Para evitar a condução e diminuir a troca de calor, é mantido vácuo entre as paredes duplas.
Alternativa Correta:
D
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