Propagação de calor

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Objetivo
Estudar, analisar e visualizar os meios de propagação do calor (condução, convecção e irradiação) usando dois tipos de fontes térmicas: o fogo (lamparina) e a lâmpada.
Introdução
Definição de Propagação de Calor
Calor é a energia térmica em transito entre corpos que estão a temperaturas diferentes. O calor passa de um corpo para o outro até que seja atingido o equilíbrio térmico.
Transmissão de Calor
Para que ocorra troca de calor, é necessário que ele seja transferido de uma região a outra através do próprio corpo, ou de um corpo para outro. Existem três processos de transferência de calor estudados na termologia, são eles: condução, convecção e irradiação. 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.
Condução
Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de condução de calor é denominado condução. No caso dos metais, além da transmissão de energia de átomo para átomo, há a transmissão de energia pelos elétrons livres, ou seja, são os elétrons que estão mais afastados do núcleo e que são mais fracamente ligados aos núcleos, portanto, esses elétrons, colidindo entre si e com átomos, transferem energia com bastante facilidade. Por esse motivo, o metal conduz calor de modo mais eficiente do que outros materiais.
Convecção
Da mesma forma que o metal, os líquidos e os gases são bons condutores de calor. No entanto, eles transferem calor de uma forma diferente. Esta forma é denominada convecção. Esse é um processo que consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido. Por exemplo, vamos considerar uma vasilha que contenha água à temperatura inicial de 4°C. Sabemos que a água acima de 4ºC se expande, então ao colocarmos essa vasilha sobre uma chama, a parte de baixo da água se expandirá, tendo sua densidade diminuída e, assim, de acordo com o Princípio de Arquimedes, subirá. A parte mais fria e mais densa descerá, formando-se, então, as correntes de convecção. Como exemplo de convecção temos a geladeira, que tem seu congelador na parte de cima. O ar frio fica mais denso e desce, o ar que está embaixo, mais quente, sobe.
Irradiação
Podemos dizer que a irradiação térmica é o processo mais importante, pois sem ela seria praticamente impossível haver vida na Terra. É por irradiação que o calor liberado pelo Sol chega até a Terra. Outro fator importante é que todos os corpos emitem radiação, ou seja, emitem ondas eletromagnéticas, cujas características e intensidade dependem do material de que é feito o corpo e de sua temperatura. Portanto, o processo de emissão de ondas eletromagnéticas é chamado de irradiação. A garrafa térmica é um bom exemplo de irradiação térmica. A parte interna é uma garrafa de vidro com paredes duplas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor por condução. As partes interna e externa da garrafa são espelhadas para evitar a transmissão de calor por irradiação.
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Procedimento Experimental
O experimento foi dividido em três etapas, em cada uma foi possível estudar separadamente cada tipo de propagação de calor e suas características.
Experimento 1 – Propagação de Calor por Condução
Material utilizado: Base principal, haste metálica com 5 esferas metálicas, parafina, lamparina e biombo protetor.
Foi observado que ao acender a lamparina, a lâmpada de suporte se aqueceu em sua extremidade mais próxima da chama e o calor de espalhou por toda a sua superfície com o passar do tempo, fazendo com que a parafina derretesse e consequentemente, todas as esferas se desprendessem da lâmina. 
A energia términa da chama da lamparina fez com que os átomos da lâmpada de suporte se agitassem, recebendo seu calor (energia), o mesmo aconteceu com a parafina que passou do estado sólido para líquido com esse ganho de energia e por gravidade todas as esferas caíram sucessivamente.
Essa forma de propagação é a condução e sua principal característica é a propagação do calor de molécula a molécula, sem transporte de matéria, de uma região mais quente para uma mais fria.
Também conhecida como lei da condução térmica ou lei de Fourier. Estabele que o fluxo de calor é proporcional à temperatura.
O mecanismo de condução ocorre quando moléculas ou átomos que estão a temperatura mais elevada transferem parte da energia para as moléculas ou átomos próximos que estão com baixa energia. Assim, o que ocorreu na barra foi um fluxo de calor da extremidade de mais temperatura para a de menor temperatura. A condução términa visa o equilíbrio térmico do material.
Furier, através de experimentos, conseguiu observar que a temperatura varia linearmente por toda a barra, ou seja, de uma extremidade a outra.
Experimento 2 – Propagação de Calor por Convecção
Material utilizado: Base principal, lâmpada incandescente, hélice e biombo protetor.
Posicionamos a base principal sobre a bancada e o biombo foi colocado bem próximo a lâmpada, que foi nossa fonte térmica. Foi encaixada a hélice na parte interior do biombo. A lâmpada foi acessa e, após alguns minutos observamos que a hélice começou a girar. Esse processo acontece por meio de convecção.
Experimento 3 – Propagação de Calor por Irradiação
Material utilizado: Base principal, lâmpada, biombo protetor e termômetro.
O termômetro foi posicionado próximo a fonte de energia (lâmpada). Em seguida acendemos a lâmpada e aguardamos alguns minutos, ao fazer a leitura, foi encontrada a temperatura de 75° C. As lâmpadas comuns, além de emitirem a luz visível, irradiam quantidade considerável de calor infravermelho, assim, aquecendo o termômetro.
Resultado e Discussão
Experimento 1 (Condução)
 1 - Justifique o fato de a energia térmica penetrar no extremo da lâmina com as esferas se desprenderem sucessivamente nos pontos 1, 2, 3 e 4.
O mecanismo de condução ocorre quando moléculas ou átomos que estão a temperatura mais elevada transferem parte da energia para as moléculas ou átomos próximos que estão com baixa energia. Assim, o que ocorreu na barra foi um fluxo de calor da extremidade de mais temperatura para a de menor temperatura, assim, fazendo com que a parafina derretesse e as esferas desprendessem sucessivamente.
2 - Qual a função da cera e das esferas utilizadas no experimento? 
Fazer possível a visualizar da propagação de calor. A cera é o que prende as esferas junto a haste metálica. De acordo que ocorre propagação de calor da parte mais quente para a mais fria, a cera derrete, desprendendo as esferas.
 
3 - Pode a esfera 2 cair antes da esfera 1? Justifique a sua resposta. 
Não, pois o mecanismo de condução ocorre quando moléculas ou átomos que estão a temperatura mais elevada transferem parte da energia para as moléculas ou átomos próximos que estão com baixa energia
4 – Como é denominada esta maneira do calor se propagar e qual a sua principal característica? 
Essa forma de propagação é a condução e sua principal característica é a propagação do calor de molécula a molécula, sem transporte de matéria, de uma região mais quente para uma mais fria.
Experimento 2 (Convecção)
1 - O que acontece com as moléculas de ar frio que se encontra próxima da lâmpada aquecida? 
O ar quente, menos denso, sob o ar frio, mais denso, desce, ocupando o lugar do primeiro, formando assim correntes de convecção.
2 – Com base no princípio de Arquimedes, justifique o movimento de subida das moléculas aquecida de ar? Utilize o conceito de empuxo e da 2ª lei de Newton para demonstrar os cálculos que corroboram seus argumentos. 
As moléculas ao se aquecerem, ficam menos densas e sobem, por causa do empuxo, ao mesmo tempo que as camadas superiores mais friase densas, descem por ação da gravidade. Assim, formam-se as correntes de convecção, fazendo com que as partes quentes se misturem continuamente com as partes frias .
3 - Justifique o movimento da ventoinha. 
 
ao acender a fonte de calor a hélice irá começar a rodar devido ao deslocamento da coluna de ar entre a fonte de calor e a hélice. O ar quente, menos denso, sob o ar frio, mais denso, desce, ocupando o lugar do primeiro, formando assim correntes de convecção.
4 - Como se denomina esta maneira do calor de propagar e qual a sua principal característica? 
Essa forma de propagação é a convecção e este processo ocorre somente com os fluidos, isto é, com os líquidos e com os gases, pois na convecção térmica há transporte de matéria.
5 - Quais foram às estratégias físicas utilizadas na garrafa térmica para conservar o líquido dentro quente ou frio? 
A parte interna é uma garrafa de vidro com paredes duplas espelhadas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor 
Experimento 3 ( Irradiação)
1 – De onde veio e como se propagou a energia térmica capaz de provocar a elevação da temperatura indicada no termômetro? 
É por radiação, ou seja, ondas eletromagnéticas que o calor liberado pela lâmpada chega até o termômetro.
2 – Nesta experiência somente houve um modo de propagação de calor? Justifique a sua resposta. 
Não, a propagação de calor pode ocorrer por condução, convecção e radiação.
3 – Justifique o fato da propagação do calor por irradiação não necessitar de meio material para se propagar. 
Isto acontece porque a radiação térmica se propaga através de ondas eletromagnéticas.
4 - Como é denominada esta maneira do calor se propagar e qual a sua principal característica? 
Essa forma de propagação é a irradiação e é o processo pelo qual o calor é transferido de um corpo sem o auxílio do meio interveniente.
5 - Justifica a superfície espelhada existente na parte traseira da lâmpada. 
Superfícies espelhadas minimizam a perda de energia térmica por radiação.
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 o transporte 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.
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