PROPAGAÇÃO DE CALOR

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PROPAGAÇÃO DE CALOR
FUNDAMENTAÇÃO TEORICA 
INTRODUÇÃO:
A termodinâmica é o ramo da física que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume  em sistemas físicos em escala macroscópica, ou seja, ela estuda as relações de troca entre o calor e o trabalho realizado na transformação de um sistema físico, quando esse interage com o meio externo. Grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Por isso, em essência, a termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. 
Conhecemos como temperatura a grandeza física que mensura a energia cinética média de cada grau de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico e como calor a nomenclatura atribuída à energia sendo transferida de um sistema a outro exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles.
O estudo desse ramo parte das Leis da Termodinâmica, leis essas que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema para outro na forma de calor ou trabalho. E ainda postulam a existência de uma quantidade denominada de entropia, a qual pode ser determinada para todos os sistemas. 
A termodinâmica teve início em 1650, com Otto Von Guericke. Ele foi o responsável pela criação da primeira bomba a vácuo do mundo, além de criar o primeiro vácuo artificial através das esferas de Magduberg. Anos mais tarde Robert Boyle ficou sabendo dos experimentos de Otto, e em parceria com Robert Hooke, construiu uma bomba de ar. Através dessa bomba, Boyle e Hooke perceberam a relação entre pressão, volume e temperatura, e através dessa descoberta Boyle formulou uma lei que estabelece que a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Essa lei ficou conhecida como Lei de Boyle.
Estudos posteriores, baseados nos conceitos de pressão, temperatura e volume, fizeram por surgir a primeira máquina a vapor, com Thomas Savery. As máquinas daquela época eram muito grandes e robustas, mas atraíam a atenção de muitos cientistas, como foi o caso de Sadi Carnot. Denominado de o “pai da termodinâmica” em 1824 fez a publicação de “Reflexões sobre a Potência Motriz do Fogo”, nessa sua publicação ele fazia um discurso sobre o calor, a eficiência e a potência das máquinas a vapor. Esse fato marcou o início da termodinâmica como ciência moderna.
O estudo da termodinâmica se baseia em leis que foram estabelecidas experimentalmente.
Leis da Termodinâmica:
Lei zero da Termodinâmica: diz que quando dois corpos possuem temperaturas iguais em relação a um terceiro, diz-se que eles têm igualdade de temperatura entre si. 
Primeira Lei da Termodinâmica: ela fornece um aspecto quantitativo da conservação da energia. Lembrando que a conservação da energia diz que “na natureza nada se perde nada se cria, tudo se transforma”. 
Segunda Lei da Termodinâmica: fornece aspectos qualitativos de processos em sistemas físicos, ou seja, ela diz que um processo pode ocorrer tanto em uma direção como em outra. 
Terceira Lei da Termodinâmica: diz respeito a um ponto de referência para fazer a determinação da entropia do sistema.
Sempre que há um gradiente de temperatura no interior de um sistema ou quando há contato de dois sistemas com temperaturas diferentes há um processo de transferência de energia. O processo através do qual a energia é transferida é conhecido como transferência de calor. Então, a transferência de calor ocorre quando dois ou mais corpos que estão em temperaturas diferentes são colocados em contato, ou em um mesmo local, fazendo com que a energia térmica de um corpo seja transferida para outro.
O estudo da transmissão de calor está relacionado com a termodinâmica na medida em que a primeira e a segunda lei não podem se feridas.
A primeira lei é aplicada para garantir a conservação da energia e a segunda lei para estabelecer o sentido do fluxo de calor.
Esta transferência de calor pode acontecer de três maneiras diferentes, por condução, convecção ou irradiação.
Na transferência de calor por condução, o calor se propaga de partícula a partícula, por exemplo, quando seguramos uma barra de metal com uma de suas extremidades ligada ao fogo. Neste exemplo o calor se propaga de partícula a partícula, por toda a barra até atingir a extremidade oposta.
A transferência de calor por irradiação acontece com a propagação de energia através do espaço por ondas eletromagnéticas. Neste tipo de transferência a energia não necessita de meio material para se propagar, já que as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo. Um bom exemplo prático para este fenômeno é o forno de microondas que utiliza ondas eletromagnéticas para aquecer os alimentos.
Já a transferência de calor por convecção ocorre com o movimento das massas de temperaturas diferentes. Vamos analisar mais um exemplo: Quando a água está sendo aquecida em uma panela. O recipiente transmite calor para a parte de água que está no fundo da panela, esta parte se torna mais quente e menos densa, por este motivo esta porção sobe e a água que está mais fria desce para o fundo da panela. Este fenômeno vai se repetindo durante o tempo que a água estiver sendo aquecida, transmitindo o calor por toda a panela.
OBJETIVO:
Experimento 1. Propagação de Calor por Irradiação
No experimento 1 procuramos entender o processo de irradiador de calor e mostrar que a irradiação gerada pela luz da lâmpada é um material que conduz calor.
Como parte do experimento também tentamos observar a convecção e a variação de temperatura entre dois termômetros.
MATERIAL UTILIZADO:
Conjunto demonstrativo para meios de propagação do calor EQ051A
Base principal, lâmpada, biombo protetor
02 Termômetros:
Procedimento Experimental:
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 50° C. As lâmpadas 
comuns, além de emitirem a luz visível, irradiam quantidade considerável de calor infravermelho, assim, 
aquecendo o termômetro
Experimento ( 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, pois refletem os raios. 
Conclusão 
Com o experimento foi possível ver as três formas de propagação de calor a condução ,convecção e 
irradiação , e que cada uma delas se propaga de uma forma diferente e sempre a área mais próxima da 
emissão de calor se aquece mais rápido como no primeiro experimento . 
RESULTADOS E CONCLUSÃO:
Experimento 1. Condução térmica
Inicialmente os dois termômetros marcavam 30ºC cada.
Tabela 01. Medição do termômetro 02 enquanto o 01 aumentou 1ºC.
	Haste
	Termômetro 02 em relação ao 01
	01 - Dourada (Latão)
	Diferença de 19ºC
	02 - Prata (Alumínio)
	Diferença de 22ºC
	03 - Bronze (Cobre)
	Diferença de 24ºC
Tirando como referência Young, Hugh D., University Physics, 7th Ed. Table 15-5. Valores para diamante são de CRC Handbook of Chemistry and Physics, temos:
	Material
	Condutividade Térmica (W/mK)
	Alumínio
	205,0
	Cobre
	385,0
	Latão
	109,0
Sabemosque materiais com alta condutividade térmica conduzem calor de forma mais rápida que os materiais com baixa condutividade térmica. Dessa forma, temos que o cobre é melhor condutor térmico que o alumínio que é melhor que o latão. Podemos comprovar essa teoria com os dados experimentais obtidos na tabela 01, uma vez que a haste de cobre conduziu mais calor que os demais, pois enquanto o termômetro mais afastado da chama aumentou 1ºC o primeiro termômetro que estava localizado perto da chama aumentou 24ºC, sendo este o que apresentou maior temperatura. A haste de alumínio foi a segunda a apresentar temperatura mais alta, apresentando uma diferença de 22ºC entre o primeiro e o segundo termômetro e a haste de latão, apresentando uma diferença de 19ºC foi a que apresentou a pior condutividade térmica.
As marcações dos termômetros foram:
Para a haste de alumínio:
Termômetro 01 – 42ºC
Termômetro 02 – 31ºC
Para a haste de cobre:
Termômetro 01 – 44ºC
Termômetro 02 – 31ºC
Para a haste de latão:
Termômetro 01 – 39ºC
Termômetro 02 – 31ºC
Experimento 2. Convecção térmica
Inicialmente os dois termômetros marcavam 30ºC cada.
O motivo pelo qual usamos o permanganato de potássio para realizar este experimento é que o mesmo, ao entrar em contato com a água apresenta uma coloração roxa forte característica, o que nos possibilita observar com muita clareza o caminho que ele faz ao se misturar com o líquido.
Ao colocar o permanganato de potássio na água em temperatura ambiente observamos que ele cai em linha reta (apresentando comportamento linear) até alcançar o fundo do Becker.
Despejando o permanganato de potássio na água que estava esquentando, observamos que ele faz um fluxo não previsível na água, não mais apresentando o comportamento linear que ele fazia ao ser colocado na água em temperatura ambiente.
O que caracteriza a diferença do comportamento do permanganato de potássio na água foi a diferença de temperatura que esta apresentava. Quando colocamos um Becker com água para aquecer, sabemos a água esquenta por convecção, e ao adicionarmos o permanganato de potássio na água, nós pudemos notar claramente este processo, pois a água do fundo do Becker, que estava em contato com a chama, quando se aquecia, suas moléculas começavam a mover-se mais rapidamente, e assim, afastaram-se uma das outras. Desta forma, o volume ocupado pela quantidade de água que estava no fundo aumentou, e ela tornou-se menos densa. Desse jeito, a parte da água que estava no fundo e se aqueceu, e como ficou menos densa que a da parte de cima que estava mais fria, trocou de lugar com ela. Esse fluxo, chamado de corrente de convecção, foi o fluxo que observamos quando adicionamos o permanganato.
Quando esquentamos apenas a parte de cima da água com o rabo-quente, pudemos observar que o fluxo ocorria apenas na parta superior onde a água estava sendo esquentada. Na parte de baixo que não teve contato com o aparelho que esquentava a água não apresentou fluxo. Já que a água esquentada apresentava menor densidade que a água fria, desse jeito não houve transmissão de calor por convecção da parte superior da água com a parte inferior, já que a parte que tinha maior (parte inferior) densidade tenderia sempre a continuar no fundo do Becker.
Colocamos um termômetro (termômetro 01) na parte superior e um termômetro (termômetro 02) na parte inferior para comprovar o que estávamos observando, e obtemos a seguinte medição:
Termômetro 01 – 84ºC
Termômetro 02 – 30ºC
Mais uma vez o método experimental comprovou o teórico.
Desligamos o rabo-quente para agora observar a transmissão de calor por condução da água na parte superior com a parte inferior. Como no nosso procedimento experimental houve uma anomalia (o Becker com água foi, mesmo que por pouco tempo, misturado), nossos dados finais foram muito duvidosos, uma vez que, após passar o tempo de 5 minutos, fizemos novamente as medições dos termômetros e obtemos os seguintes resultados:
Termômetro 01 – 62ºC
Termômetro 02 – 45ºC
Com estes resultados poderíamos dizer que a água não é uma má condutora térmica, e isto não é verdade, uma vez que o valor tabelado da condutividade térmica desta é de 0,56 W/mK, ou seja, um valor muito baixo que caracteriza a água como péssima condutora térmica.
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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. 
Objetivo 
 
Observar a experiência e raciocinar fisicamente através dos instrumentos; acompanhar os experimentos 
de acordo com os conceitos de propagação de calor, obtendo conhecimento especifico irradiação, 
convecção e condução. 
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 térmica 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. Estabelece 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 
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que ocorreu na barra foi um fluxo de calor da extremidade de mais temperatura para a de menor 
temperatura. A condução térmica visa o equilíbrio térmico do material. 
Fourier, 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