APOSTILA BIOCLIMATOLOGIA TROCA DE CALOR SENSÍVEL

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS 
DEPARTAMENTO DE ZOOTECNIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MATERIAL DIDÁTICO - BIOCLIMATOLOGIA ZOOTÉCNICA (AF0683) 
 
MECANISMOS DE TROCA DE CALOR SENSÍVEL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Dr. Pedro Henrique Watanabe 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MECANISMOS DE TROCA DE CALOR SENSÍVEL 
 
 Os animais homeotérmicos precisam manter a temperatura fisiológica para produzir com o 
máximo de eficiência. Para isto dispõem de um centro termorregulador localizado no sistema 
nervoso central. Este centro receptor se localiza no hipotálamo, que funciona como um termostato 
fisiológico e, quando a temperatura do animal está fora da termoneutralidade, comanda a 
mudança de produção ou perda de calor. O hipotálamo controla a produção e a dissipação de 
calor por vários mecanismos que serão discutidos na sequência. Na Figura 1, é apresentado o 
esquema do mecanismo para o controle de temperatura corporal, segundo MULLER (1982). 
 
 
 As células especializadas funcionam com termorreceptores periféricos que captam 
sensações e levam ao sistema nervoso central. Quando as células receptoras periféricas sentem 
o calor, esta sensação é transmitida na parte anterior do hipotálamo, e este comanda a perda de 
calor por vasodilatação, sudorese, aumento no número de movimentos respiratórios e mudanças 
comportamentais. Quando as células receptoras recebem a sensação de frio, é encaminhado 
para a porção posterior do hipotálamo, desencadeando a conservação e produção de calor, 
através da vasoconstrição, piloereção, tremores, oxidação do tecido adiposo e alterações 
comportamentais. 
 Os animais, para estarem em homeotermia, necessitam de umaconstante troca de calor, e 
os principais mecanismos são: a condução, a convecção, a radiação, e, somente para a 
dissipação de calor, a evaporação. As três primeiras formas são denominadas trocas de calor sob 
a forma sensível, visto que ocorre apenas variação na temperatura do corpo, sem que aconteça 
mudança no seu estado de agragação e serão abordadas nesta apostila. 
 
TROCA DE CALOR POR CONDUÇÃO 
 
 A condução é a transferência de energia térmica entre corpos, entre partes de um mesmo 
corpo, por meio de energia cinética da movimentação das moléculas ou pela movimentação de 
elétrons livres. Esse fluxo passa das moléculas de alta energia para as de baixa, portanto 
necessitando de contato direto. É um processo importante na termorregulação do animal, pois 
este processo permite a passagem de calor desde o núcleo central do organismo até a superfície 
corporal externa, através do contato entre partículas dos tecidos, e também é responsável pela 
passagem do calor da superfície da pele para o meio. A velocidade depende do gradiente térmico 
entre a pele e o meio, ou seja, o material para o qual o calor é conduzido, embora em alguns 
casos o processo de condução para o animal também seja desejável, como no aquecimento de 
leitões. 
 A magnitude e a velocidade do processo de condução de calor estão relacionadas com as 
características térmicas das partes envolvidas. A condutividade térmica é o fator físico do fluxo de 
1
. 
calor por condução, o qual caracteriza a quantidade de calor transmitida através de um corpo 
considerado homogêneo, em um regime estacionário, por unidade de espessura, de área e de 
tempo. A condutividade térmica é expressa então em W.m/m².oC ou cal.cm/cm².oC.s, ou outras 
unidades equivalentes. Na Tabela 1 são apresentados valores de condutividade térmica de 
alguns materiais. 
 
 
 
 De acordo com a Tabela 1, observa-se que a água tem maior condutividade térmica que o 
ar, o que significa que o material que contém ar em seus interstícios funciona como isolante 
térmico, ou seja, é menos capaz de conduzir calor. Se a água ocupa os poros do material, o ar é 
deslocado e o isolamento é reduzido (um dos exemplos é o do pano seco para pegar a forma do 
bolo). Na Tabela 2 são mostrados valores de densidade absoluta e condutividade térmica de 
diferentes materiais utilizados na cobertura de telhados. 
 
 
 
 De acordo com a Tabela 2, observa-se uma dependência muito marcante do coeficiente k 
com relação à densidade absoluta, explicável pelo conteúdo de ar do material, ou seja, quanto 
mais leve o material (menor valor de densidade absoluta), menor será a condutividade k do 
material. 
 A resistência térmica de um material também afeta a transmissão de calor, que, de acordo 
com Costa (1982), expressa a resistência que o material oferece à passagem de calor. O valor 
da resistência térmica R é inversamente proporcional à condutância térmica (C) do material em 
W/m2.ºC. Condutância térmica pode ser definida como a quantidade de calor transmitida de uma 
superfície à outra de um fechamento e depende da espessura do mesmo. Quanto maior a 
condutância térmica de um material, menor será a resistência térmica. 
Tabela 1 
Tabela 2 
 De acordo com a Tabela 3, comparando dois corpos, sendo um de concreto e outro de 
poliestireno expandido (isopor), para ambos apresentarem mesma resistência térmica, será 
necessário 60 cm de concreto e apenas 1,2cm de isopor. Se pensarmos em uma estrutura para 
isolamento térmico, o isopor será vantajoso em compor as laterais pelo seu peso reduzido e 
elevada resistência térmica. 
 
 
 
 Outra característica importante é a capacidade térmica ou capacidade de amortecimento, 
definida como a propriedade do fechamento em diminuir a amplitude das variações térmicas. 
Esse efeito se percebe mais nitidamente nos casos de grandes variações térmicas entre o dia e a 
noite. Nessas circunstâncias, no interior das instalações, a temperatura interior não atinge nem os 
máximos nem os mínimos exteriores, fato explicável pela capacidade de amortecimento dos 
elementos da construção. 
A capacidade térmica pode ser expressa pelo produto do calor específico (c), densidade absoluta 
(d) e espessura do material (L). O calor especifico (c) é quantidade de energia necessária (kJ) 
para elevar em 1 ºC, 1 kg de massa. A unidade do calor especifico ‚ kcal/ kg.ºC. 
 Utilizando os mesmos valores apresentados na Tabela 3, temos que a capacidade térmica 
do concreto é de 315 kcal/m².oC e a do isopor é de 0,08. Nesse caso, o concreto tem uma 
capacidade de amortecimento térmico muito superior ao poliestireno expandido, devido aos 
maiores valores de capacidade térmica do concreto. 
 O fluxo de calor por condução em regime estacionário pode ser estimado pela seguinte 
equação: 
 Qcond = A * k * (T1 - T2)/s, 
sendo: Qcond o fluxo condutivo, A a área da superfície efetiva condutiva, k a condutividade 
térmica do meio em que ocorre o fluxo, T1 a temperatura do ponto para o qual o flui o calor, T2 a 
temperatura do ponto a partir do qual se dá o fluxo e s a distância entre T1 e T2. De acordo com a 
equação, observa-se que há apenas troca de calor enquanto houver gradiente de temperatura, ou 
seja, temperaturas distintas entre os corpos. Dessa forma, considerando os mecanismos de 
termólise, as trocas de calor por condução podem ser consideradas como as menos efetivas, pois 
logo o corpo em contato se aquece e as temperaturas se igualam. No entanto, considerando a 
manutenção da temperatura dos corpos, ou quando queremos manter aquecido um determinado 
corpo, a troca de calor por condução é bastante efetiva. 
 
Exercício 1. Considere um leitão como um cilindro de diâmetro igual a 15cm e 30cm de 
comprimento. O leitão está em contato com o piso de um escamoteador, porém a área em 
contato é de metade da área total. O leitão em contato com o piso de concreto está recebendo 
calor do escamoteador, que consiste em uma resistência elétrica localizada a 4cm abaixo do piso 
de concreto. A condutividade térmica do concreto é de 1,74W/m.oC. Sabendo que a temperatura 
do piso é de 38oC e a da pele do leitão é de 29oC, qual o fluxo de calor recebidopelo leitão? 
 
Resposta: 34,57W. 
 
TROCA DE CALOR POR CONVECÇÃO 
 
 A convecção é a transferência de energia através um fluido líquido ou gasoso. A corrente 
de fluido absorve energia térmica em um dado local e, então, desloca-se para o outro lado, onde 
se mistura e transfere energia. Ocorre a transferência de energia devido à movimentação de 
Tabela 3 
ar, cujas moléculas são de corpos mais quentes para os mais frios, portanto os fatores nesse 
processo são a movimentação do ar e a extensão da superfície corporal. 
 Considerando as trocas de calor por convecção com o ar, este entra em contato com uma 
superfície aquecida e é também aquecido, ocorrendo redução de sua densidade, o que causa a 
movimentação deste ar próximo a superfície. Em razão da movimentação do ar, há remoção de 
calor do corpo aquecido. Esse mecanismo de termólise é bastante eficiente, pois pode dissipar 30 
a 40W/m² da energia de um homem com temperatura da pele 10oC acima da temperatura 
ambiente. 
 A convecção difere da condução por haver translocação de moléculas, bem como por 
depender da forma, do tamanho e das características da superfície, e ainda, da intensidade da 
movimentação do ar. Em geral, o calor se move por condução através da cobertura do animal 
(pelos, penas) e atinge um fino filme de ar externo, denominado camada-limite, a partir do qual 
ocorre o processo convectivo. Quanto menos espessa for esta camada, maior será o fluxo de 
calor disponível para dissipação por convecção. 
 A remoção de calor por movimento próprio do fluido, próximo da superfície aquecida, 
caracteriza o processo de convecção livre. Quando há uma força externa atuando para aumentar 
a corrente fluida, como por exemplo um ventilador, ocorre a remoção de calor por convecção 
forçada. Em alguns casos, as duas formas podem ser benéficas se ocorrem simultaneamente, 
mas na maioria das vezes, quando a convecção forçada é considerável (acima de 2m/s), a livre é 
desprezada. 
 A troca de energia por convecção é proporcional à área da superfície do animal, à 
diferença da temperatura entre a superfície do animal e o ar sobre a camada limite e ao 
coeficiente de convecção. 
 Qconv = A * h * (T1 - T2), 
sendo: Qconv o fluxo convectivo, A a área efetiva da superfície do animal, h o coeficiente de 
convecção, T1 a temperatura da superfície do animal e T2 a temperatura do ar. 
 O coeficiente de convecção é o fator físico do processo e pode ser usado para expressar o 
calor transferido por convecção. A sua determinação direta é complexa, uma vez que depende da 
condutividade térmica e da espessura da camada limite, bem como do tamanho e da forma do 
corpo do animal, da sua orientação e ainda do perfil aerodinâmico e tipo de corrente de ar. 
 Dessa forma, o coeficiente de convecção é calculado de forma indireta, a partir do Número 
de Nusselt (Nu). O Número de Nusselt é uma grandeza bastante utilizada para a determinação do 
coeficiente de transferência de calor por convecção, baseada na análise dimensional, na qual é 
utilizada para determinar parâmetros através de relações de similaridade. 
 Nu = h * d / K, 
sendo: h o coeficiente de convecção, d a dimensão característica do corpo e K a condutividade 
térmica do fluido. 
 O número de Nusselt também é função de outros números adimensionais,como o Número 
de Reynolds (Re), Grashof (Gr) e Prandtl (Pr), embora este último de menor uso. Estes três 
números são utilizados para definir o escoamento do fluido. O regime laminar é observado 
quando a velocidade do ar é baixa e predomina a convecção livre, e regime turbulento, quando 
ocorre grande movimentação do ar, predominando a convecção forçada. 
 Os números de Reynolds e de Grashof são importantes para definir o regime do fluido. 
Para grandes valores da relação Gr/Re², a transferência de calor é governada pela convecção 
livre e, à medida que a razão desta mesma relação decresce, a convecção forçada predomina. 
 Re = V * d / v, 
sendo: V a velocidade do fluido, d a dimensão característica do corpo, podendo ser o diâmetro ou 
comprimento do corpo e v a viscosidade cinemática do fluido. 
 Gr = a * g * d³ * (Ts - Ta) / v², 
sendo: a o coeficiente de expansão térmica do fluido, g a aceleração devido a gravidade, d a 
dimensão do corpo do animal (diâmetro ou comprimento), Ts a temperatura de superfície e Ta a 
temperatura do ar. 
 Observe que para o cálculo é necessário saber se o animal está perpendicular ou sob a 
ventilação direta, visto que, se ele se encontra perpendicular ao vento incidente, o valor de d 
(dimensão do corpo) deverá ser o comprimento do mesmo; se ele se encontrar sob o vento direto 
sobre a fronte por exemplo, o valor de d (dimensão do corpo) será o diâmetro (considerando que 
o mesmo é simulado como um cilindro). 
 Como regra geral para nossos estudos, consideraremos que Gr/Re²<1, situação onde a 
convecção natural pode ser desprezada. Nesse caso, utilizaremos a equação para determinação 
do Número de Reynolds. Assim, para a mesma é necessário saber as características do fluido 
considerando a sua temperatura. Para isso, considera-se a média aritmética entre a temperaturas 
do fluido e da superfície e a partir desta temperatura, obtêm-se os valores de viscosidade 
cinemática (v) e condutividade térmica do fluido (K), conforme a tabela entregue em sala. 
 Conforme informado anteriormente, o Nu é também calculado em função do Re, sendo 
uma relação geral de Nu = 0,6 * Re0,5. Já existem algumas relações entre Nu e Re específicos 
para espécies bovina e suína. 
 
Exercício: Um bezerro com tronco de diâmetro igual a 0,9m encontra-se em uma instalação cuja 
temperatura do ar é de 24oC e a velocidade do vento incidente sobre sua fronte (face frontal do 
animal) é de 6m/s. A superfície do pelame do animal apresenta temperatura de 30oC. 
Considerando haver apenas troca de calor por convecção e a área sob convecção de 1,32m², 
qual o calor perdido do animal para o ambiente? 
Tcamada limite = (24+30)/2 = 27oC 
Nu = 0,65 * Re0,53 
 
Resposta: 124,33W 
 
TROCA DE CALOR POR RADIAÇÃO 
 
 A radiação constitui outra forma sensível de troca de calor por meio de ondas 
eletromagnéticas através de meio transparente entre dois pontos ou mais, que se encontram em 
diferentes temperaturas. 
 As ondas térmicas são geradas porque os átomos e as moléculas de todos os corpos têm 
energia interna, sendo parte desta transformada em energia radiante, emitida sempre que o meio 
é transparente. Em outras palavras, o espaço está sempre carregado de energia radiante em 
forma de ondas eletromagnéticas, pois a sua emissão ocorre como resultado das variações no 
conteúdo de energia dos corpos. Sempre que um corpo recebe energia radiante, há um 
acréscimo na sua carga interna e, por essa razão, sua temperatura aumenta. É o que sentimos 
por exemplo quando em um ambiente fechado sem resfriamento e repleto de pessoas e 
denominamos de calor humano. Na verdade, não deixa de sê-lo, visto que é energia advinda de 
pessoas. 
 A quantidade e as características da energia radiante emitida por um corpo dependem de 
sua natureza, de seu arranjo microscópico e de sua temperatura absoluta. Outra consideração 
importante é que a troca de energia radiante entre dois corpos exige que o meio que os separa 
permita a passagem das ondas radiantes por eles emitidas. O ar, que é transparente a estas 
ondas, não absorve nem emite energia radiante. 
 O comprimento de onda, que é a característica da energia radiante usada para classificá-
la, é definido como a distância entre dois máximos sucessivos de onda. O Sol, por exemplo, é a 
fonte principal de toda a energia da Terra e é um emissor de energia radiante de ondas curtas, na 
faixa de 0,3 a 3µm. Todos os outros corpos do ambiente com temperatura próxima de 300K são 
emissores de energia radiante sob a forma de ondas longa de 10µm. 
 Três propriedades importantes de um corpo em relação à radiação térmicacorrespondem 
a reflexão, absorção e transmissão desta energia pelo corpo. Desta forma, temos: 
 Refletividade: fração da radiação incidente refletida; 
 Absortividade: fração da radiação incidente absorvida pela superfície atingida; 
 Transmissividade: fração da energia incidente que passa através da superfície. 
 Um corpo negro, é aquele que absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide: 
nenhuma luz o atravessa (somente em casos específicos) nem é refletida. Um corpo com essa 
propriedade, em princípio, não pode ser visto, daí o nome corpo negro. Apesar do nome, corpos 
negros produzem radiação, o que permite determinar qual a sua temperatura. Em equilíbrio 
termodinâmico, ou seja, à temperatura constante, um corpo negro ideal irradia energia na mesma 
taxa que a absorve, sendo essa uma das propriedades que o tornam uma fonte ideal de radiação 
térmica. Na natureza não existem corpos negros perfeitos, já que nenhum objeto consegue ter 
absorção e emissão perfeitas. No entanto, são utilizados para a simulação e como referência para 
estudos voltados à radiação. Dessa forma, um corpo negro tem absortividade igual a 1. 
 Uma quarta propriedade importante é a emissividade, definida como a razão entre a 
densidade de radiação de um corpo cinza e a de um corpo negro nas mesmas condições 
determinantes de fluxo. Se um corpo tem emissividade igual a 0,5, significa que ele emite 
somente metade da radiação que seria emitida por um corpo negro nas mesmas condições. Esse 
conhecimento também é importante para conhecimento a respeito de materiais ideias para 
cobertura de telhados por exemplo, onde o recomendado seria a opção por aqueles que 
apresentam baixa relação absortividade/emissividade. Por sua vez, quando se deseja um material 
para utilizá-lo em aquecimento de água pelo Sol, por exemplo, recomenda-se um material com 
elevada relação absortividade/emissividade, pois deseja-se um coletor de energia radiante. 
 Para melhor entendimento dos complexos mecanismos envolvidos, é necessário 
mencionar as leis que regem as trocas de calor por radiação: Lei de Kirchhoff, Lei de Planck, Lei 
de Wien e Lei de Stephan-Boltzmann. 
 
LEI DE KIRCHHOFF 
 A Lei de Kirchhoff diz que capacidade de uma superfície de absorver radiação é a mesma 
de emiti-la em iguais temperaturas e igual comprimento de onda. De acordo co essa lei, em 
determinados comprimentos de onda e temperatura, a emissividade de um corpo é igual à sua 
absortividade. 
 
LEI DE PLANCK 
 A densidade do poder emissivo radiante de um corpo depende grandemente de sua 
temperatura superficial. Dessa forma, a temperatura da superfície do Sol é de aproximadamente 
6000K e a da superfície da Terra de 300K; portanto, a densidade do poder emissivo radiante do 
Sol é maior em todos os comprimentos de onda, comparada à da Terra e à dos corpos em baixa 
temperatura. 
 
LEI DE WIEN 
 A máxima emissão para um corpo negro é inversamente relacionada com a temperatura 
absoluta de sua superfície. O comprimento de onda, em µm, relacionado com a máxima emissão 
de um corpo ser calculado dividindo-se 2897 pela temperatura absoluta da superfície (K). Dessa 
forma, para o Sol, o comprimento de onda correspondente à máxima emissão é de 
aproximadamente 0,5µm e para a Terra de quase 10µm. 
 
LEI DE STEPHAN-BOLTZMANN 
 A emissão ou a densidade do poder emissivo de uma superfície negra é igual ao produto 
da constante de Stephan-Boltzmann pela 4a potência da sua temperatura absoluta. Esta 
expressão mostra que a potência irradiada por unidade de área varia apenas com a temperatura, 
ela não depende do material de sua cor entre outras características do corpo. Corpos reais 
irradiam menos energia por unidade de área que o corpo negro, para calcular a energia irradiada 
por esses corpos é necessária a inclusão de um parâmetro denominado emissividade, que 
depende das características do material (cor, composição de sua superfície), seu valor fica entre 
zero e um. 
 Essa propriedade é importante para estimar a carga térmica radiante, por exemplo, que 
mensura a quantidade de energia trocada entre a superfície do animal e as superfícies ao redor 
do mesmo. Nesse caso, utiliza-se o valor da temperatura radiante média (TRM), considerando a 
média de temperatura do conjunto de todas as superfícies. 
 TRM = 100 * [2,51 * v0,5 * (Tg - Ta) + (Tg/100)4]0,25, em K 
sendo: v a velocidade do ar (m/s), Tg a temperatura de globo negro (K), Ta a temperatura 
ambiente (K). 
 CTR = Ϭ * TRM4, em W/m² 
sendo Ϭ a constante de Stephan-Boltzmann (5,67 * 10-8). 
 Em um ambiente tropical, o valor de CTR deve ser o menor possível, visto que representa 
o quanto de calor será recebido pela superfície do animal (W/m²). 
 
Exercício: De acordo com a Lei de Stephan-Boltzmann, um corpo negro é um emissor perfeito, 
que absorve toda a radiação que atue sobre ele e não reflete nada, assim a radiação por ele só 
depende de sua temperatura absoluta. 
 Qrad = α * Ϭ * T4 * A, em W 
sendo: Qrad o fluxo de radiação emitido, α a absortividade do corpo, Ϭ a constante de Stephan-
Boltzmann (5,67 * 10-8), T a temperatura absoluta e A a área de superfície do corpo (m²). 
Assim, se um frango pesa 2kg atuasse como um corpo negro e apresentaria temperatura de 30oC 
em sua superfície, qual seria a quantidade de energia emitida pelo mesmo? 
Considere para esta equação: 
 A = 8,19 * P0,705, cm2 
sendo P o peso do animal em g. 
 
Resposta: 83,15W 
 
 LITERATURA CONSULTADA1 
 
BACCARI JÚNIOR, F. Métodos e técnicas de avaliação da adaptabilidade dos animais às 
condições tropicais. In: SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE BIOCLIMATOLOGIA ANIMAL NOS 
TRÓPICOS: PEQUENOS E GRANDES RUMINANTES, 1., 1990, Sobral-CE. Anais... Sobral: 
EMBRAPA-CNPC, 1990. p. 9-17. 
BAETA, F.C.; SOUZA, C.F. Ambiência em edificações rurais. Viçosa: UFC, 2010. 269p. 
MEDEIROS, L.F.D.; VIEIRA, D.H. Bioclimatologia animal. 1997. Disponível em: 
http://levy.blog.br/arquivos/aula-fesurv/downs-86-0.pdf. Acesso em 05 de outubro de 2014. 
MULLER, P.B. Bioclimatologia aplicada aos animais domésticos. Porto Alegre: Sulina, 1982. 
158p. 
SILVA, R.G. Introdução à bioclimatologia animal. São Paulo: Nobel, 2000. 286p. 
TINÔCO, I.F.F. Avicultura industrial: novos conceitos de materiais, concepções e técnicas 
construtivas disponíveis para galpões avícolas brasileiros. Revista Brasileira de Ciência Avícola, 
v.3, n.1, 2001. 
 
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ATENÇÃO: este material tem como uso único e exclusivo para fixação do conteúdo apresentado em aula da disciplina Bioclimatologia Zootécnica 
(AF0683) do curso de graduação em Zootecnia da Universidade Federal do Ceará. Os trabalhos não referenciados podem ser encontrados a partir 
da literatura consultada e dos links utilizados para confecção deste.