Relatorio formas de propagação de calor (1)

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Introdução
Condução, convecção e irradiação são diferentes processos de propagação do calor. A definição de calor é energia térmica em trânsito, ou seja, está em constante movimentação e transferência entre os corpos do universo. No entanto, para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura. A irradiação é a propagação de ondas eletromagnéticas que não precisam de meio para se propagar, enquanto que a condução e a convecção são processos de transferência que necessitam de um meio material para se propagar.
Objetivo
	Descrever como ocorre as diferentes formas de propagação de calor.
Teoria
A condução térmica 
 Tipo de propagação do calor que consiste na transferência de energia térmica entre as partículas que compõe o sistema. Por exemplo: coloca-se uma das extremidades de uma barra metálica na chama de fogo. Após alguns instantes, percebe-se que a outra extremidade também esquenta, mesmo estando fora da chama de fogo. Esse fato ocorre porque as partículas que formam o material receberam energia e, dessa forma, passaram a se agitar com maior intensidade. Essa agitação se transfere de partícula por partícula e se propaga em toda a barra até alcançar a outra extremidade. 
 Esse tipo de transferência ocorre com maior ou menor facilidade dependendo da constituição atômica do material, a qual faz com que ele seja classificado condutor ou isolante de calor. Nas substâncias condutoras esse processo de transferência acontece mais rápido como, por exemplo, nos metais. Já nas substâncias isolantes, como na borracha e na lã, esse processo é muito lento. 
Coeficiente de Condutibilidade térmica
 A condutividade térmica (K) quantifica a habilidade dos materiais de conduzir energia térmica. Estruturas feitas com materiais de alta condutividade térmica conduzem energia térmica de forma mais rápida e eficiente que estruturas análogas feitas contudo de materiais com baixa condutividade térmica. Desta maneira, materiais com alta condutividade térmica são utilizados em dissipadores térmicos e materiais de baixa condutividade térmica são utilizados na confecção de objetos que visam a prover isolamentos térmicos, a exemplo, em cobertores. Esta propriedade, que é uma propriedade do material e não do objeto, guarda íntima relação com a equação de transporte de Boltzmann.
A condutividade térmica é uma característica específica de cada material, e depende fortemente tanto da pureza como da própria temperatura na qual esse se encontra (especialmente em baixas temperaturas). Em geral, a condução de energia térmica nos materiais, aumenta à medida que a temperatura aumenta. 
A condutividade térmica equivale numericamente à quantidade de calor  Q transmitida por unidade de tempo através de um objeto com espessura L unitária, numa direção normal à área da superfície de sua seção reta A, também unitária, devido a uma variação de temperatura  unitária entre as extremidades longitudinais. O inverso da condutividade térmica é a resistividade térmica.
Ao estudarmos a transmissão de calor por condução vimos que esse processo de transferência de calor ocorre através de todo o material através da troca de energia entre partículas próximas, ou seja, entre partículas adjacentes. O mecanismo de condução ocorre quando moléculas ou átomos que estão a uma temperatura mais elevada transferem parte da energia para as moléculas ou átomos próximos que estão com baixa energia. Assim, dizemos que a energia se transfere da região de alta temperatura para a região de baixa temperatura. A condução térmica visa o equilíbrio térmico do material.
Vamos agora apresentar a lei que rege a condução térmica, também conhecida como lei de Fourier. Ela recebeu esse nome em homenagem ao cientista que primeiro estudou detalhadamente a transmissão de calor por condução.
Na figura acima temos uma barra metálica ligada a dois recipientes, um contendo água em ebulição e outro contendo uma mistura de água e gelo. Pela figura vemos que a barra está isolada lateralmente.
Joseph Fourier, através de experimentos, conseguiu observar que a temperatura varia linearmente por toda a barra, ou seja, de uma extremidade a outra. Sendo assim, o fluxo de calor  através da barra é proporcional à área de seção A da barra e à diferença de temperatura,
 ΔT = Tf - Ti, entre as duas extremidades; e inversamente proporcional ao comprimento, L, da barra. Veja a figura abaixo:
Podemos definir matematicamente que o fluxo de calor nada mais é do que o quociente do calor Q transmitido de uma face para outra, num intervalo de temperatura. Então, o fluxo de calor é definido por:
Analiticamente, a lei de Fourier, ou lei da condução térmica, pode ser expressa por:
Na equação acima, k é uma constante que depende do material e é denominada condutividade térmica do material. O valor desse coeficiente é elevado para os bons condutores de calor; e baixo para os maus condutores, conhecidos como isolantes térmicos.
Para o experimento utilizaremos: 
Onde:
Q= Fluxo de calor
K= Coeficiente de condutibilidade térmica.
A= Área da secção reta expressa por: 
∆T= Variação de temperatura
∆l= l0
A convecção térmica
Convecção térmica de gases
O ar quente apresenta tendência a subir, e o ar frio, tendência a descer. O ar nas proximidades de um aquecedor fica mais quente e sobe. Isso favorece a circulação de ar no ambiente. Se o aquecedor estivesse próximo ao teto, o ar de cima ficaria aquecido e não desceria. O ar frio, por sua vez, ficaria acumulado na parte de baixo do cômodo e, assim, o aparelho não cumpriria sua finalidade: aquecer o ambiente.
Denomina-se convecção térmica o processo de transferência de calor que acontece graças a movimentação de um material.
Perceba que é exatamente isso que acontece no exemplo mostrado. O material que se move pelo ambiente é o ar e, com o movimento, o calor é distribuído pelo cômodo. A movimentação do ar, mais quente e mais frio, cria as chamadas correntes de convecção.
E no caso de um aparelho de ar condicionado: a fim de garantir eficiência no resfriamento do ar da sala, é mais indicado colocá-lo no alto ou embaixo? No alto!!
 
Convecção térmica de líquidos
Acabamos de estudar a convecção térmica envolvendo a movimentação de um material gasoso: o ar. Mas não é só no caso dos gases que pode ocorrer convecção. Com líquidos também pode. Quando se leva ao fogo uma panela com água, estabelecem-se correntes de convecção nesse líquido.
Embora não possamos observar estas correntes diretamente podemos evidenciar a sua ocorrência se jogarmos um pouco de serragem na água. Veremos a serragem se movimentar, seguindo o caminho das correntes de convecção.
Como foi dito, a convecção é um processo de transferência de calor que ocorre graças à movimentação de um material. Nos sólidos, ao contrário dos gases e dos líquidos, não pode haver movimentação de pedaços do material e, portanto, não se podem estabelecer correntes de convecção.
A convecção térmica no cotidiano
A geladeira é um bom exemplo para comprovar o que se estudou até aqui sobre convecção. Se colocarmos as mãos rentes ao chão, diante da geladeira aberta, sentiremos o ar frio que desce ao sair da geladeira.
Os fabricantes de geladeira levam em conta o fato de o ar quente subir e o ar frio descer. Por isso, o congelador que é o responsável pelo resfriamento interno da geladeira, fica na parte de cima. Ele resfria o ar próximo de si. Esse ar frio desce enquanto o ar quente, que está embaixo, sobe. Assim, produzem-se correntes de convecção, que mantém o interior da geladeira em constante resfriamento.
Se o congelador ficasse na parte de baixo da geladeira, o ar resfriado permaneceria na parte inferior. E o ar que estivesse em cima continuaria quente, pois não desceria para poder ser resfriado pelo congelador.No ar das cidades também constatamos a convecção. Os gases poluentes que saem do escapamento dos veículos e das chaminés das fabricas tendem a subir, pois estão quentes. Esse é um exemplo em que as correntes de convecção favorecem a dispersão dos poluentes
A irradiação térmica 
Um terceiro modo de transferência de calor de um corpo mais quente para um mais frio é a irradiação térmica. Ao contrário dos outros dois processos, condução e convecção, a irradiação permite transferência de calor, ou calor radiante. As ondas de calor provenientes do Sol, atravessam uma grande distância, no vácuo, até chegar à Terra e transferir a ela o calor vindo do Sol. Esse tipo de propagação do calor ocorre através dos raios infravermelhos que são chamadas ondas eletromagnéticas. É dessa forma que o Sol aquece a Terra todos os dias.
Além do calor irradiado pelo Sol, vários outros exemplos cotidianos estão relacionados com a irradiação térmica. 
A garrafa térmica mantém, por longo tempo, o café quentinho em seu interior.  A garrafa térmica é construída de forma que os três processos de propagação de calor sejam reduzidos ao máximo. Entre suas paredes há o vácuo, o qual impede a propagação do calor por condução. Estas são espelhadas tanto internamente quanto externamente, de forma que os raios infravermelhos sejam refletidos e por último temos a tampa. Esta última quando bem fechada evita o processo de propagação por convecção. Construída dessa maneira, a garrafa térmica mantém sempre bem quentinho o café ou o chá.
As garrafas térmicas possuem vários isolamentos, inclusive revestimentos espelhados, para evitar a troca de calor entre interior e exterior. Esses diversos isolamentos, que aparecem na figura acima, permitem conservar os líquidos quentes ou gelados por mais tempo.
O calor de uma fogueira ou de uma lareira chega a uma pessoa por meio da irradiação. Os alimentos assam nos fornos convencionais graças ao calor irradiado pela chama. As lâmpadas comuns, além de emitirem a luz visível, irradiam quantidade considerável de calor infravermelho. Em granjas, os pintinhos são mantidos aquecidos por meio de lâmpadas que permanecem acesas dia e noite.
 
Capacidade Térmica
A capacidade térmica determina a quantidade calor que um corpo precisa receber para alterar sua temperatura em uma unidade. Cada corpo comporta-se de forma diferente ao receber uma determinada quantidade de calor, e um exemplo em que podemos perceber isso facilmente ocorre na praia. A areia e a água do mar estão submetidas à mesma fonte de calor, o sol, mas a areia fica muito mais quente do que a água. Isso acontece porque a areia e a água possuem capacidades térmicas diferentes.
Sendo assim, a capacidade térmica é uma grandeza que depende da quantidade de calor recebida e da variação de temperatura sofrida por um corpo. Ela pode ser definida da seguinte forma:
“A capacidade térmica (C) é a razão entre a quantidade de calor (Q) recebida por um corpo e a variação de temperatura (ΔT) sofrida por ele.”
Matematicamente, essa relação é dada pela expressão:
C = Q
     ΔT
A unidade de medida da capacidade térmica no Sistema Internacional é calorias por grau Celsius (cal/ºC).
A capacidade térmica é uma propriedade dos corpos que depende apenas de sua massa, sendo assim, dois corpos feitos do mesmo material podem sofrer variações de temperatura diferentes ao receberem a mesma quantidade de calor se suas massas são diferentes. Por exemplo: se quisermos aquecer duas chapas de metal, uma com 5 kg e outra com 10 kg, será necessário fornecer maior quantidade de calor à chapa de 10 kg, já que sua massa é maior.
Podemos concluir, portanto, que a capacidade térmica é proporcional à massa dos corpos. Essa proporcionalidade é definida por uma grandeza denominada calor específico (c), que é determinado pela razão constante entre a capacidade térmica e a massa de uma substância, sendo expresso matematicamente pela equação:
c = C
     m
A unidade de medida do calor específico é cal/g.ºC. Essa grandeza define a quantidade de calor que deve ser fornecida ou retirada de cada 1 grama de um material para variar sua temperatura em 1ºC.
A capacidade térmica e o calor específico dos materiais podem ser determinados com o uso de um calorímetro, um aparelho com isolação térmica utilizado para estudar as trocas de calor entre corpos de diferentes temperaturas.
	Para o experimento usaremos:
Também adotaremos o seguinte conceito:
Material Utilizado
Condução
Conjunto para dilatação linear
Dilatômetro linear
Gerador de vapor
Termômetro
Barra
Convecção
Conjunto para meios de propagação de calor 
Hélice metálica
Irradiação
Conjunto para meios de propagação de calor
Termômetro
Procedimento Experimental
Condução
Primeiramente encaixou-se um tubo conector do gerador de vapor até a extremidade da barra metálica, que estava acoplada ao dilatômetro linear, em seguida verificou-se a temperatura ambiente com o termômetro, e foi colocado o mesmo no gerador de vapor, para medir a temperatura da água contida dentro dele. Posteriormente encaixou-se outro termômetro na outra extremidade da barra metálica. Com todos os equipamentos conectados, ligou-se o gerador de vapor, e com o decorrer do tempo a temperatura foi aumentando, proporcionalmente ao comprimento da barra metálica. Foi possível verificar a variação de dilatação pelo medidor analógico do dilatômetro, que apresentava uma escala de 0,01 mm.
Usando a teoria vista no relatório de Dilatação linear foram encontrados os seguintes valores, descritos na tabela abaixo:
	Dados
	Medições/Unidades
	Temperatura inicial da barra (T0)
	26°C
	Temperatura final da barra (Tf)
	101°C
	Variação de temperatura (∆T=Tf -T0)
	75°C
	Comprimento inicial da barra (l0)
	484 mm
	Dilatação (∆l)
	0,63 mm
	Coeficiente de dilatação Linear 
	17,355 x 10-6
Utilizando a tabela de Coeficiente de dilatação linear foi constatado que a barra era feito de cobre e que tem como coeficiente de condutibilidade(K) 401,0 W/mK. Assim aplicando a teoria vista temos que :
= 243,893 cal
Convecção
Inicialmente uma lâmpada estava focada numa posição, de modo que haveria um suporte que serviria de anteparo, para que houvesse acumulo de ar quente dentro do espaço compreendido. Depois foi acoplada uma das hélices em cima do suporte, com o intuito de fazê-la girar, pela diferença de temperatura e pressão, por convecção, na parte superior e inferior da hélice, que caracterizada 2 ambiente diferentes. Foi encontrado dificuldade por causa da angulação das pás das hélices, mas pode ser visto mesmo assim a movimentação das hélices dada pelas correntes de convecção mostrando que quando a um aumento de temperatura a uma transferência de calor ocorrida pelo movimento das massas de uma região do fluido para outra, sabendo que o ar quente é menos denso que o ar frio ele tende a subir e o ar frio descer.
Irradiação
Primeiro foi ajustado um termômetro no suporte na posição vertical. Secundariamente ligou-se a lâmpada, focada na direção da parte metálica do termômetro. Com o passar do tempo, a propagação de calor por radiação fez com que a temperatura aumentasse, como foi observada a escala termométrica subir gradativamente e atingir determinada temperatura.
	Utilizando a teoria vista neste relatório podemos obter os seguintes valores :
	Dados
	Medições/Unidades
	Temperatura inicial (T0)
	27°C
	Temperatura final (Tf)
	29,5°C
	Variação de temperatura (∆T=Tf -T0)
	2,5°C
	Potência (P)
	60w
	Tempo (T)
	120s
	Quantidade de calor = P x T
	7200J
	Capacidade Térmica (C) = Q / ∆T
	2880J/K
Com isso podemos achar a capacidade térmica, que como vimos na teoria dada determina a quantidade calor que um corpo precisa receber para alterar sua temperatura em uma unidade.
Conclusão
Assim, foi possível diferenciar as formas de propagação do calor. A condução e convecção térmica necessitam de um meio material para se propagar, porém na convecção ocorre otransporte de matéria, por isso só ocorrendo em fluídos (líquidos e gases), pois nos sólidos as partículas não podem ser arrastadas, assim, a condução acontece somente nos sólidos. A irradiação não necessita de um meio material para se propagar, podendo ocorrer no vácuo, isso é possível porque a radiação térmica se propaga através de ondas eletromagnéticas.