AULA BASE FISICA 7

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Bases Físicas para
Engenharia
Aula 7 - Calor
INTRODUÇÃO
Nesta aula, será estudado o calor, isto é, a energia térmica em propagação. Serão analisados os três processos pelos
quais o calor pode se transmitir. Também serão discutidas as leis que relacionam as variações das dimensões dos
sólidos com as variações de temperatura.
Bons estudos!
OBJETIVOS
De�nir o conceito de calor;
Reconhecer e compreender os processos de propagação de calor;
Analisar o conceito de dilatação térmica;
Reconhecer e compreender a dilatação dos sólidos.
ENERGIA TÉRMICA
Antes da discussão sobre o conceito de calor é importante de�nir a ideia de energia térmica. Há dois fatores que estão
associados à energia térmica de um corpo:
Logo, a energia térmica de um corpo é a medida do somatório das energias de agitação de suas partículas e do
número de partículas desse corpo.
Calor
A energia térmica em trânsito é chamada de calor. Esse trânsito ocorre de um corpo para o outro, ou de uma parte para
outra de um mesmo corpo. Tal �uxo é provocado por uma diferença de temperatura. A imagem, a seguir, ilustra esse
conceito.
UNIDADE DE CALOR
Como calor é uma forma de energia, sua unidade no Sistema Internacional (S.I.) é o joule (J). Também é muito usada
uma unidade prática denominada caloria (cal).
O SI (Sistema Internacional de unidades) adota, como unidade de calor, o Joule, pois calor é energia. No entanto, só
tem sentido falar em calor, como energia em trânsito, ou seja, energia que se transfere de um corpo a outro em
decorrência da diferença de temperatura entre eles.
Assinale a a�rmação em que o conceito de calor está empregado corretamente.
A) A temperatura de um corpo diminui quando ele perde parte do calor que nele estava armazenado.
B) A temperatura de um corpo aumenta quando ele acumula calor.
C) A temperatura de um corpo diminui quando ele cede calor para o meio ambiente.
D) O aumento da temperatura de um corpo é um indicador de que esse corpo armazenou calor.
E) Um corpo só pode atingir o zero absoluto se for esvaziado de todo o calor nele contido.
Justi�cativa
PROCESSOS DE PROPAGAÇÃO DE CALOR
A propagação do calor pode ocorrer de três maneiras distintas:
A imagem, a seguir, ilustra esses três tipos de propagação do calor. Observe:
FLUXO DE CALOR
Qualquer que seja a forma de propagação de calor, a seguinte lei deve ser observada:
A intensidade do �uxo de calor (Φ) é de�nida pela razão entre a quantidade de calor Q que atravessa uma superfície e o
intervalo de 
tempo Δt correspondente. Veja:
No Sistema Internacional de unidades, temos:
Saiba Mais
Há também unidades usuais:,
Fonte da Imagem:
Condução
Podemos de�nir condução como o processo de propagação de calor no qual a energia térmica é transmitida de
partícula para partícula de um meio.
A imagem, a seguir, ilustra um exemplo de condução de calor. Observe:
Cálculo do �uxo de calor
Conforme a �gura a seguir, considere duas regiões de temperaturas θ e θ tais que θ > θ , separados por uma
superfície de área A e espessura e.
Em regime permanente ou estacionário, o �uxo de calor Φ (quantidade de calor que atravessa uma superfície pelo
intervalo de tempo) depende da área A da superfície, da espessura e, da diferença de temperatura Δθ = θ – θ e da
natureza do material que constitui a superfície.
Temos ainda k, chamada de coe�ciente de condutibilidade térmica. Uma constante característica do material que
compõe a superfície.
Observe, na tabela a seguir, alguns exemplos de materiais e seus respectivos coe�cientes de condutibilidade térmica.
1 2 2 1
2 1
Saiba Mais
Veja que a constante de condutibilidade térmica apresenta valor elevado para os bons condutores de calor (condutores térmicos),
como os metais, e baixo para os isolantes térmicos.
O fundo de uma panela de alumínio tem espessura 0,30 cm e área de 450 cm . Ao colocá-la sobre uma chama acesa,
as temperaturas interna e externa do fundo são de 120º C e 300º C, respectivamente. Qual o �uxo calorí�co através do
fundo da panela, sabendo que o coe�ciente de condutibilidade do alumínio é 0,05 cal/s.cm.ºC?
A) 10.500 cal/s
B) 11.000 cal/s
C) 11.500 cal/s
D) 12.500 cal/s
E) 13.500 cal/s
Justi�cativa
2
Fonte da Imagem:
Convecção
Consiste no processo no qual a energia térmica muda de uma região para outra por meio de transporte de matéria do
próprio material aquecido que só ocorre em �uidos e, portanto, não acontecendo nos sólidos e no vácuo.
Esse transporte de matéria no �uido é possível pela diferença de densidade que acontece em virtude de seu
resfriamento ou aquecimento. As porções mais quentes das regiões inferiores, tendo sua densidade diminuída, sobem.
As porções mais frias da região superior, tendo maior densidade, descem.
É possível visualizar as correntes ascendentes quentes e descendentes frias, que são denominadas correntes de
convecção. 
A imagem, a seguir, ilustra um exemplo, veja:
Nas geladeiras domésticas:
I) o congelador está colocado na parte superior;
II) o ar frio desce, por convecção, resfriando os alimentos;
III) as prateleiras não são inteiriças, mas têm a forma de grade, de modo a permitir a convecção do ar no interior da
geladeira;
IV) deve-se, nos modelos mais antigos, retirar periodicamente o gelo que se forma sobre o congelador para não
prejudicar a troca de calor.
Tem-se:
A) Só as a�rmações I) e II) são corretas.
B) Só as a�rmações III) e IV) são corretas.
C) Só as a�rmações I) e III) são corretas.
D) Só as a�rmações I), II) e III) são corretas.
E) Todas as a�rmações são corretas.
Justi�cativa
Fonte da Imagem:
Radiação
Também chamado de irradiação, é o processo de propagação de energia na forma de ondas eletromagnéticas. Essas
ondas, ao serem absorvidas, se transformam em energia térmica.
A imagem, a seguir, ilustra um exemplo de irradiação. Veja:
Atenção
A rigor, a radiação não é um processo de transmissão de calor. No entanto, ao sofrer resfriamento, um corpo emite energia
radiante. Logo, é feita uma associação da energia existente nas ondas eletromagnéticas com a energia térmica liberada pelo
corpo.,Diferente dos processos de condução térmica e convecção térmica, a radiação acontece sem a necessidade de existência
de um meio material. A propagação é exclusivamente de energia, sob forma de ondas.,Apenas as ondas correspondentes à faixa
do infravermelho são chamadas de ondas de calor, apesar de todas as ondas eletromagnéticas transportarem energia.
UM CASO GERAL
1. O vácuo entre as paredes duplas evita a condução;
2. A boa vedação da garrafa evita a convecção;
3. O espelhamento interno e externo das paredes reduz ao mínimo a radiação.
A imagem, a seguir, ilustra um exemplo desses processos de propagação de calor. Observe:
Ao contrário do que se pensa, a garrafa térmica não foi criada originalmente para manter o café quente. Esse recipiente
foi inventado pelo físico e químico inglês James Dewar (1842–1923) para conservar substâncias biológicas em bom
estado, mantendo-as a temperaturas estáveis.
Usando a observação do físico italiano Evangelista Torricelli (1608–1647), que descobriu ser o vácuo um bom isolante
térmico, Dewar criou uma garrafa de paredes duplas de vidro que, ao ser lacrada, mantinha vácuo entre elas.
Para retardar ainda mais a alteração de temperatura, no interior da garrafa, ele espelhou as paredes, tanto nas faces
externas como nas faces internas. Dewar nunca patenteou sua invenção, que considerava um presente à Ciência.
Coube ao alemão Reinhold Burger, um fabricante de vidros, diminuir o seu tamanho, lançando-a no mercado em 1903.
A respeito do texto anterior, indique a alternativa correta:
A) Na garrafa térmica, o vácuo existente entre as paredes duplas de vidro tem a �nalidade de evitar trocas de calor por convecção.
B) As paredes espelhadas devem evitar que as ondas de calor saiam ou entrem por condução.
C) Apesar do texto não se referir ao fato de que a garrafa deve permanecer bem fechada, isso deve ocorrer para evitar perdas de
calor por convecção.
D) O vácuo existente, nointerior das paredes duplas de vidro, vai evitar perdas de calor por radiação.
E) As paredes espelhadas não têm função nas trocas de calor; foram apenas uma tentativa de tornar o produto mais agradável às
pessoas que pretendessem comprá-lo.
Justi�cativa
Dilatação térmica dos sólidos
Quando a temperatura de um corpo aumenta, em geral, isso provoca um aumento nas suas dimensões chamado de
dilatação térmica. Uma diminuição, na temperatura de um corpo, em geral, produz uma contração térmica.
O fenômeno da dilatação de um corpo pelo aumento de sua temperatura ocorre como consequência do aumento da
agitação de suas partículas. As colisões entre essas partículas tornam-se mais violentas após o aquecimento,
causando uma separação maior entre elas, conforme ilustra a imagem abaixo.
O estudo da dilatação térmica dos sólidos será dividido em três partes: dilatação linear, dilatação super�cial e
dilatação volumétrica. Vamos conhecê-los!
DILATAÇÃO LINEAR DOS SÓLIDOS
Quando o estudo do fenômeno da dilatação for analisado em uma só direção, ele será chamado de dilatação linear.
A dilatação ΔL de uma barra é diretamente proporcional ao comprimento inicial L e à variação de temperatura Δθ...0
... onde𝛼 é o coe�ciente de dilatação linear, característico de cada material; é utilizado em seu valor médio dado que
esse coe�ciente não é exatamente uma constante, pois depende de parâmetros como temperatura, possíveis
tratamentos térmicos e mecânicos e da pressão.
Saiba Mais
Na tabela a seguir, para exempli�car, seguem coe�cientes de dilatação linear de alguns materiais:
O grá�co, abaixo, apresenta o comprimento em função da temperatura:
DILATAÇÃO SUPERFICIAL DOS SÓLIDOS
Quando a análise for em duas dimensões, chamamos de dilatação super�cial.
Sobre a dilatação super�cial dos sólidos, considere o caso de uma placa metálica de área A a uma temperatura θ e
área A a temperatura θ . De forma análoga às considerações realizadas no estudo da dilatação linear:
0 1
2
DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA DOS SÓLIDOS
Quando a análise for em três dimensões, chamamos de dilatação volumétrica.
Para a dilatação volumétrica dos sólidos, considere o caso de um cubo metálico de volume V a uma temperatura θ e
volume V a temperatura θ . Considerações análogas àquelas realizadas quando do estudo sobre a dilatação linear
podem ser feitas:
0 1
2
Saiba Mais
A rigor, a dilatação térmica é sempre volumétrica, pois as partículas afastam-se umas das outras em qualquer direção que se
considere.
Ultimamente, o gás natural tem se tornado uma importante e estratégica fonte de energia para indústrias. Um dos
modos mais econômicos de se fazer o transporte do gás natural de sua origem até um mercado consumidor distante é
através de navios, denominados metaneiros. Nestes, o gás é liquefeito a uma temperatura muito baixa, para facilitar o
transporte.
As cubas onde o gás liquefeito é transportado são revestidas por um material de baixo coe�ciente de dilatação
térmica, denominado invar, para evitar tensões devido às variações de temperatura.
Em um laboratório, as propriedades térmicas do invar foram testadas, veri�cando a variação do comprimento (L) de
uma barra de invar para diferentes temperaturas (T). O resultado da experiência é mostrado a seguir na forma de um
grá�co.
Com base nesse grá�co, conclui-se que o coe�ciente de dilatação térmica linear da barra de invar é:
a) 1.10 /ºC-6
6
b) 2.10 /ºC
c) 5.10 /ºC
d) 10.10 /ºC
e) 20.10 /ºC
Resposta Correta
Atividade
Você também poderá exercitar os conhecimentos que aprendeu através de uma lista de exercícios que preparamos.
Para acessar à lista, clique aqui. (glossário)
Glossário
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-6
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http://estacio.webaula.com.br/cursos/gon631/galeria/aula7/docs/A7_t13.pdf