Aula 3 _ Transmissão de calor

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Aula 3 – Transmissão de calor
Vimos anteriormente que o fluxo de calor entre dois corpos de temperaturas diferentes acontece no sentido da maior para a menor temperatura.
Agora iremos ver que essa transferência de energia ocorre também np interior do próprio corpo.
Este trânsito de energia pode acontecer pelas seguintes maneiras:
	- condução; 
	- convecção; 
	- irradiação. 
Transmissão de Calor 
1. Condução térmica É a propagação de calor em que a energia térmica passa de partícula para partícula, sem transporte de matéria. Ocorre principalmente nos metais (condutores térmicos).
São exemplos de isolantes térmicos: água, gelo, ar, lã, isopor, vidro, borracha, madeira, serragem, etc.
Aplicações de isolantes térmicos:
Exemplo1: Os iglus, embora feitos de 
gelo, impedem a condução de calor para 
o meio externo. Elevando, assim sua 
temperatura interna.
Exemplo2: As roupas de frio são um 
exemplo de isolante térmico; o ar que 
fica retido entre suas fibras dificulta a 
condução de calor. Os pelos dos 
animais e a serragem também são bons
 isolantes térmicos porque retêm ar.
Condução
Vamos considerar duas substâncias a diferentes temperaturas separadas por uma barreira que é removida subitamente, como mostra a figura abaixo. 
Em tais colisões os átomos rápidos perdem velocidade e os mais lentos ganham . Esta transferência de energia do lado quente para o lado frio é chamada de fluxo de calor por condução.
Condução Térmica
Uma barra de comprimento L e área de seção transversal A encontra-se em temperatura T;
Observa-se que a temperatura em pontos intermediários da barra decresce uniformemente;
Esta condição chama-se fluxo estacionário de calor.
Fluxo de calor
H é a quantidade de calor que flui através da barra por unidade de tempo; no SI, 1J/s ou 1 W.
A constante k chama-se condutividade térmica do material.
Unidade de k: 1J/(s.m.°C) 
1 cal/s.cm.°C = 419 J/s.m.°C
Condutividade Térmica
Materiais cujo valor de k é grande são bons condutores térmicos.
E materiais com k próximo de 0 são bons isolantes térmicos.
Exemplo 1
Uma caixa de isopor é usada para manter geladas as cervejas de uma festa. A área total das paredes é de 0,8m² e a espessura das paredes é de 0,02m. A condutividade térmica do isopor é 0,01J/m.s.°C. A caixa está cheia de gelo e cerveja a 0°C. Qual a taxa de fluxo de calor para dentro da caixa se a temperatura exterior é de 30°C? Que quantidade de gelo derrete em um dia?
Dica: admita que o fluxo total de calor seja aproximadamente o mesmo que seria através de uma lâmina cuja área fosse de 0,8m² e espessura de 0,02m.
Exemplo 2
Uma barra de aço de 10cm está soldada por sua extremidade a uma barra de cobre de 20 cm. Cada barra tem uma seção transversal quadrada de 2cm de lado. O lado livre da barra de aço está em contato com vapor a 100°C e o lado livre do cobre, com gelo a 0°C. Determinar a temperatura de junção das duas barras e o fluxo total de calor, quando o sistema estiver em estado estacionário.
Dica: As taxas de fluxo de calor nas duas barras têm de ser iguais, sem o que não haveria estado estacionário.
Exemplo 3
Suponha que agora as duas barras estejam separadas e colocadas em paralelo. Uma de suas extremidades está em contato com vapor a 100°C e a outra com gelo a 0°C. Qual o fluxo total de calor nas duas barras?
2. Convecção térmica É a propagação de calor com transporte de matéria. Ocorre somente nos líquidos e gases.
Exemplo1: Água no fogo.
A água quente na parte inferior,
menos densa, sobe, enquanto a água fria
na parte superior, mais densa, desce.
Esse movimento de água quente e
água fria, chamado de corrente de
convecção, faz com que a água se
aqueça como um todo.
Exemplo2: Ar condicionado.
Para facilitar o resfriamento de uma
sala, o condicionador de ar deve ser
colocado na parte superior da mesma.
Assim, o ar frio lançado, mais denso,
desce, enquanto o ar quente na parte
inferior, menos denso, sobe (corrente
de convecção).
Exemplo3: Geladeira.
Para facilitar o resfriamento da geladeira,
o congelador deve ser colocado na parte
superior da mesma. Assim, o ar frio
próximo ao congelador, mais denso, desce,
enquanto o ar quente na parte inferior, menos
denso, sobe (corrente de convecção).
Congelamento de lagos
Considerando um lago com temperatura de 20°C e a temperatura sobre sua superfície de – 10°C? Por que congela de cima para baixo?
A água na superfície ao se resfriar, contrai-se, tornando-se menos densa e desce para camadas mais inferiores.
Esse processo de mistura continua até que toda a água atinja 4°C;
Quando a água da superfície chega a 3°C ela se expande ficando menos densa e assim flutua cessando os processos de convecção e mistura;
Portanto o lago congela na superfície, e como o gelo é ainda menos denso que a água ele flutua e o congelamento posterior dependerá somente do fluxo ascendente de calor por condução.
Transferência de calor por convecção
O calor perdido ou ganho por uma seção em contato com um fluido depende de muitos fatores como a forma da superfície, as propriedades do fluido e a natureza do fluxo, se lamelar ou turbulento.
Exemplo 4
O ar em um quarto está a 25°C e no exterior a -15°C. Que quantidade de calor por unidade de área é transferia de uma janela de vidro de 2mm de espessura e condutividade térmica de 2,5.10-³ cal/cm . s. °C. Considere h = 0.897x10^-4 cal/s.cm².°C
Radiação
Transmissão de energia térmica se dá também através de radiação;
O termo radiação refere-se a emissão contínua de energia da superfície de todos os corpos;
É chamada energia radiante, principalmente os raios infravermelhos (chamados de ondas de calor), ocorre inclusive no vácuo, e tem a forma de ondas eletromagnéticas. 
Exemplo1: A estufa de plantas é feita de vidro, que é transparente à energia radiante do Sol e opaco às ondas de calor emitidas pelos objetos dentro da estufa. Assim, o interior da estufa se mantém a uma temperatura maior do que o exterior.
Exemplo2: Na atmosfera terrestre também ocorre o efeito estufa. O gás carbônico (CO2) e os vapores de água presentes no ar funcionam como o vidro: são transparentes à energia radiante que vem do Sol, mas opacos às ondas de calor emitidas pela Terra. Em virtude do aumento considerável de veículos, indústrias e fontes poluidoras em geral, os níveis de gás carbônico e outros gases têm aumentado na atmosfera terrestre. Isso já provocou um aumento na temperatura média da Terra de 1°C, e previsões para um aumento de 1,8°C a 4°C para os próximos 50 anos.
Energia radiante
A energia radiante emitida por uma superfície, por unidade de tempo e área, depende da natureza e temperatura do corpo.
Por exemplo:
Um bloco de cobre à temperatura de 100°C irradia cerca de 0,03J/s ou 0,03W por cm².
Esse mesmo bloco à temperatura de 1000°C irradia 4W/cm².
Energia Radiante
 A energia radiante é uma mistura de comprimentos de onda;
Na temperatura de 300°C quase toda a energia emitida tem comprimentos de onda maiores que da luz visível (0,7 x 10-6 m para o vermelho). Tais ondas são chamadas infravermelhos.
Lei de Stefan-Boltzmann
A taxa de radiação de energia por uma superfície é proporcional à área da superfície e à quarta potência da temperatura absoluta T.
Depende também da natureza da superfície, descrito por um número adimensional e, que está entre 0 e 1. 
Exemplo 5
Uma fina placa quadrada de aço, com 10 cm de lado, é aquecida até a temperatura de 800°C. Sendo a emissividade igual a 1, qual a taxa de radiação de energia?