Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


DisciplinaCiencias Exatas104 materiais710 seguidores
Pré-visualização50 páginas
à temperatura real do objeto. 
Convecção 
O ar é um mau condutor de calor, mas a energia térmica é facilmente transferida pelo ar, 
pela água e por outros fluidos porque esses materiais podem fluir. Uma panela de água 
sobre o fogão é aquecida em sua parte inferior. Essa água aquecida se expande, tornan-
do-se menos densa do que a água acima dela e, com isso, sobe à superfície, enquanto a 
água mais fria e densa afunda para assumir seu lugar. O mel>mo acontece com o ar. Essa 
transferência de energia térmica através do movimento de um fluido - a idéia bem-co-
nhecida de que o "calor sobe" - é chamada de convecção. 
A convecção é, geralmente, o principal mecanismo para transferência de calor em 
sistemas de fluidos. Em escala pequena, a convecção mistura a panela de água que você 
aquece no fogão; em escala grande, a convecção é responsável por fazer com que o vento 
sopre e as c01rentes do oceano circulem. O ar é um condutor ténnico muito ruim, porém 
ele é muito eficiente na transferência de energia por convecção. Para usar o ar como 
isolante témlico, é necessário aprisioná-lo em pequenas bolsas a fim de limitar a con-
vecção. É exatamente isso o que fazem as penas, os pêlos, as janelas de vidro duplo e os 
isolamentos com fibra de vidro. A convecção transfere energia.muito mais rapidamente 
com a água do que com o ar, e por isso as pessoas podem morrer de hipotermia na água 
a 20ºC (68ºF), mas podem viver satisfatoriamente no ar a 20ºC. 
Irradiação 
O Sol irradia energia para a Terra através do vácuo do espaço. De forma semelhante, 
você sente o calor proveniente das brasas de uma lareira. 
Todos os objetos emitem energia na forma de radiação, formada por ondas eletro-
magnéticas geradas por cargas elétricas oscilantes nos átomos que constituem o obje-
to. Essas ondas transferem energia do objeto emissor da radiação para o objeto que a 
absorve. As ondas eletromagnéticas carregam energia proveniente do Sol; esta energia 
é absorvida quando a luz solar atinge sua pele, aquecendo-a pelo aumento de sua ener-
gia térmica. A sua pele também emite radiação eletromagnética, ajudando a manter seu 
corpo frio pela redução de sua energia térmica. A radiação é uma parte significativa do 
equilíbrio energético que mantém seu corpo à temperatura adequada. 
A água aquecida mais escura se desloca 
por convecção. 
532 Física: Uma Abordagem Estratégica 
Esta imagem de satélite mostra a radiação 
emitida pelas águas do oceano na costa 
leste dos Estados Unidos. Pode-se enxergar 
claramente as águas quentes da corrente 
do golfo, uma corrente de convecção de 
grande escala que transfere calor para 
latitudes mais ao norte. 
NOTA .,. A palavra "radiação" vem de "raio" . Radiação é um termo que pode se refe-
ri r aos raios X ou ao decaimento radioativo de núcleos atômicos, mas também pode 
se referir simplesmente à luz e a outras formas de ondas eletromagnéticas "irradia-
das" por um objeto. Aqui estamos usando este segundo significado do termo. .,. 
Você está familiarizado com a radiação emitida por objetos "rubros de tão quente" 
ou, a uma temperatura sufic ientemente alta, por objetos "brancos de tão quente". O Sol 
é, simplesmente, uma bola quentíssima de gás ardente, e a luz branca de uma lâmpada 
incandescente é radiação emitida por um fino filamento aquecido a uma temperatura 
muito alta por meio de uma corrente elétrica. Objetos a baixas temperaturas também 
irradiam, mas você não pode enxergar essa radiação (embora você possa, às vezes, senti-
la), pois tr.ita-se de radiação infravermelha de longo comprimento de onda. 
Alguns filmes e detectores são sensíveis ao infravermelho e podem registrar a radia-
ção infravermelha emitida por objetos. A imagem térmica de uma casa em falsa cor, na 
abertura deste capítulo, revela a emissão infravermelha enquanto a casa emite energia 
para o ambiente externo mais frio. Essas imagens são usadas para avaliar onde os pré-
dios necessitam de isolamento adicional. 
A energia irradiada por um objeto depende fortemente da temperatura. Se a energia 
térmica Q for irradiada, durante um intervalo de tempo llr, por um objeto com área su-
perficial A e temperatura absoluta T, a taxa de transferência de calor será 
Q 
- = e<TAT4 
·llt 
(17.49) 
Uma vez que a taxa de transferência de energia é potência (1 J/s = l W), Q/llt é, 
muitas vezes, chamada de potência irradiada. Observe a fortíssima dependência com 
a temperatura, elevada à quarta potência. Dobrar a temperatura absoluta de um objeto 
aumentará a potência irradiada por ele por um fator igual a 16! 
O parâmetro e na Equação 17 .49 é a emissividade da superfície, uma medida de 
quão eficientemente ela emite a radiação. O valor de e varia entre O e 1. a é uma constan-
te, conhecida como a constante de Stcfan-Boltzmann, cujo valor é 
a = 5,67 X 10-8 W/m2 K4 
NOTA .,. Assim como na lei dos gases ideais, a temperatura na Equação 17.49 deve 
estar expressa em kelvins . ..,. 
Além de emitir radiação, os objetos também absorvem a radiação emitida por sua 
vizinhança. Suponha que um objeto a uma temperatura T esteja circundado por um am-
biente a uma temperatura T0. A taxa resultante com a qual o objeto irradia energia térmi-
ca - ou seja, a radiação emitida menos a radiação absorvida - é dada por 
Q .. ,. = euA(T4 - T.4 ) ~t o (17.50) 
Isso faz sentido. Um objeto não deve ter um saldo de radiação se ele estiver em equilí-
brio térmico (T = T0) com a vizinhança. 
Note também que a emissividade e aparece na absorção e na emissão; bons emisso-
res são também bons absorvedores. Um absorvedor perfeito (e = 1), que absorva toda 
luz e radiação incidentes sobre ele, porém sem nada refletir. pareceria completamente 
negro. Assim, um absorvedor perfeito às vezes é chamado de corpo negro. Contudo, um 
absorvedor perfeito também seria um emissor perfeito, de modo que a radiação térmica 
proveniente de um emissor ideal é denominada radiação de corpo negro. Parece estra-
nho que objetos negros sejam emissores perfeitos, mas pense em um pedaço de carvão 
preto que pareça vermelho de tão quente por estar no fogo. À temperatura ambiente, ele 
&quot;brilha&quot; igualmente, emitindo infravermelho. 
CAPlTULO 17 \u2022 Trabalho, Calor e a Primeira Lei da Termodinâmica 533 
EXEMPLO 11.11 Medindo a temperatura do Sol 
O raio do Sol é 6.96 X 108 m. À distância da Terra. l.50 X 1011 m. a · 
intensidade da radiação solar (medida por satélites em órbita acima da 
atmosfera) é de 1370 W/m2\u2022 Qual é a temperatura da superfície do Sol? 
MODELO Suponha que o Sol seja um radiador ideal com e = l. 
RESOLUÇÃO A potência total irradiada pelo Sol é a potência por m2 
multiplicada pela área superficial de uma esfera que se estende do 
centro até a Terra: 
p = t370 ~X 47T( l,50 X 1011 m)2 = 3.87 X 1026 W 
l m· 
Ou ~eja,'&quot;() Sol irradia energia a uma taxa Q/!:J.t = 3,87 X 1026 W. 
Isso é rnlúta potência! Essa energia é irradiada pela superfície de uma 
esfera de raio Rs. Usando esta informação na Equação 17.49, determi-
namos a temperatura da superfície do Sol como 
T = [ 
Q/.11 ]11\u2022 
eo-( 47TRs2) 
[ 
3.87 X 1026 W ] 11' 
= Cl )(5,67 X 10- 8 W/m2 K4)4'1T(6,96 X 108 m)2 
= 5790 K 
AVALIAÇÃO Esta temperatura é confirmada por medições do espectro 
solar, um tópico que exploraremos na Parte Vil. 
A radiação térmica desempenha um papel importante no clima e no aquecimento 
global. A Terra como um todo encontra-se em equilíbrio térmico. Conseqüentemente, 
ela deve irradiar de volta para o espaço exatamente a quantidade de energia que recebe 
do Sol. A radiação que entra, proveniente do Sol quente, é, em sua maior parte, luz visí-
vel. A aunosfera terrestre é transparente à luz visível, de modo que essa radiação atinge a 
superfície e é por ela absorvida. A Terra mais fria, por sua vez, irradia radiação infraver-
melha, porém a atmosfera não é completamente transparente ao infravermelho. Alguns 
componentes