PLANO DE AULA SOBRE PROPAGAÇÃO DE CALOR PASSEI DIRETO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CAMPUS UNIVERSITÁRIO PROF. ALBERTO CARVALHO
DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFCI
Prof. Tiago Nery Ribeiro
Nome: Vinicius Pereira da Costa
	Tema: Propagação de calor
	Pressupostos conceituais necessários: temperatura, calor.
	Objetivos: ao final da aula o aluno será capaz de identificar fenômenos, fontes e sistemas que envolvem calor para a escolha de materiais apropriados a diferentes situações, reconhecer as propriedades térmicas dos materiais e os diferentes processos de troca de calor, identificando a importância da condução, convecção e irradiação em sistemas naturais e tecnológicos.
	Conteúdos: os conteúdos do programa abordados em aula serão condução, convecção e irradiação de calor.
	Estratégias (50 min)
O professor deverá seguir a seguinte sequência didática.
a) Processos de transmissão de calor.
O professor iniciará apresentando os processos de condução, convecção e irradiação de calor como formas de propagação de calor.
Em seguida será trabalhada individualmente cada forma de propagação de calor seguindo a seguinte ordem.
· CONDUÇÃO DE CALOR (15 min)
Definição: transferência de energia de partículas (temperatura) mais energéticas para partículas menos energéticas através de um meio material.
Ex.
	
Figura 1 - Ilustração micro.
	
Figura 2 - Ilustração de experimento já visto.
Figura 3 - Ilustração macro.
Fluxo de calor na condução: A lei de Fourier ilustra como ocorre a transmissão de calor.
Figura 4 - Ilustração da lei de Fourier.
Onde é o fluxo de calor (cal/s), K é a condutividade térmica (cal/(m)), A é a área da secção transversal (), L é o comprimento do condutor (m), são as temperaturas da extremidade 1 e 2 respectivamente ().
O espeto de churrasco
Será realizada uma análise das características mais relevantes de um espeto de churrasco de acordo com a lei de Fourier.
Figura 6 - Ilustração de espeto com picanha.
O espeto de churrasco não é aquecido somente em uma das extremidades, mas sim aquecido por inteiro. Devido a isso as características que mais influenciam durante o churrasco são: o material do espeto, a carne e o diâmetro (grossura) do espeto.
A cerveja (sem álcool) com colarinho
Figura 7 - Ilustração de copo de cerveja (sem álcool).
O colarinho é espuma que contém ar em seu interior e como a condutividade térmica da espuma é menor do que a do liquido o colarinho tem a função de atuar como isolante térmico mantendo a temperatura de sua cerveja por mais tempo, para potencializar isso basta evitar de estar entrando em contato com copo de maneira a conduzir calor para o liquido através do vidro ou, ainda, utilizar um recipiente que também seja isolante térmico.
A parede
Será realizada uma análise das características de uma parede que permitem um maior aquecimento de acordo com a lei de Fourier.
Será utilizada a Figura 4 para ilustrar uma parede que está recebendo luz solar em um dia quente. Será realizado uma análise das características dessa parede que podem facilitar ou dificultar a propagação de calor para dentro da casa. 
Ex. (ITA-SP) Duas salas idênticas estão separadas por uma divisória de espessura L=5,0 cm, área A=100m2 e condutividade térmica k=2,0W/mK. O ar contido em cada sala encontra-se, inicialmente, à temperatura T1=47°C e T2=27°C, respectivamente. Considerando o ar como um gás ideal e o conjunto das duas salas um sistema isolado, calcule o fluxo de calor através da divisória relativo às temperaturas iniciais T1 e T2.
Generalização do conceito para talheres, panelas, luvas etc. comparando plástico, aço e alumínio.
Conforto térmico corporal (cobertor, roupas etc.);
Seleção de materiais para emprego específico nas indústrias (talheres, panelas, luvas, espeto de churrasco etc.).
Curiosidades: Panelas de alumínio são muito reativas a alimentos alcalinos ou ácidos, é fácil danificá-lo. Porém possui uma condutividade térmica elevada, são leves e baratas.
Panelas de aço não são reativas, durável, barato. Porém a transferência e distribuição de calor são ruins.
CONVECÇÃO DE CALOR (15 min):
Definição: Transmissão através da agitação molecular e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio, típico dos fluidos.
CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA
Convecção forçada o fluido é forçado a circular, ocorre devido a meios externos (bomba de água, um ventilador, um secador de cabelo etc.).
Convecção natural o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo que vem de diferença de densidade causada por uma diferença de temperatura no fluido.
Ex.
Figura 8 - lustração de uma panela com vapor saindo.
Apresentar riscos de se manter acima de uma panela com água fervente ao ser aberta.
FLUXO DE CALOR NA CONVECÇÃO
Com a comida pronta é preciso tomar cuidado para não se queimar, ou seja, devemos deixar o alimento sob temperatura ambiente por um tempo até que seja possível consumir.
A Lei de Newton do resfriamento ilustra como ocorre esse resfriamento.
Figura 9 - lustração da lei de newton do resfriamento.
Onde , h é o coeficiente de transferência convectiva de calor 
Ex. Um filé fino está a uma temperatura de 100°C e pode causar dolorosas queimaduras se for consumido assim, quanto tempo é necessário esperar para que a temperatura dele esteja a 60°C, onde é possível seu consumo? Sendo que Jackie Chan abana o filé com um leque proporcionando ventos a temperatura de 25°C, que a área do filé é de 0,36 m², sua massa é de 400g e que . Com .
Solução: Primeiramente, vamos resolver a equação para t que é o que procuramos.
Com , onde , temos .
Substituindo os valores temos.
Onde , temos
Curiosidades: ar condicionado, aquecedor de ar, ventos etc.
Figura 10 - Ilustração dos ventos.
Obs. café quente no início e frio no final (principalmente em copos fundos).
IRRADIAÇÃO DE CALOR (20 min)
Definição: Não necessita de meio material para ocorrer, pois a energia é transportada por meio de ondas eletromagnéticas. (mais eficaz no vácuo).
Obs. Toda matéria que se encontra a uma temperatura acima do zero absoluto (0K) irradia energia térmica.
Transmissão de calor por irradiação
Ex.
Figura 11 - Ilustração da irradiação solar na atmosfera.
Figura 12 – Ilustração de radiação térmica de uma fogueira.
Figura 13/ - Ilustração da irradiação sobre um corpo.
Onde 
Temos que , sendo que , , que são respectivamente absorvidade, refletividade e transmissividade.
Modelos adotados na reflexão térmica
Reflexão: o refletor perfeito (espelho ideal), ;
Absorção: Um corpo negro (absorvedor perfeito), , um corpo cinzento, ; 
Transmissão: Um corpo transparente, , um corpo opaco, .
LEI DOS INTERCÂMBIOS: Todo bom absorvedor é um bom emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um mau emissor de radiação térmica.
Obs. No geral, corpos escuros são bons absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex. fuligem ().
Corpos claros e polidos são maus absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex. prata polida ().
Porém pesquisas recentes comprovam que nem sempre um corpo mais claro é um pior absorvedor e emissor de radiação térmica, há uma dependência também com a composição do corpo.
Lei de Stefan-Boltzmann ilustra matematicamente como ocorre a emissão de energia por irradiação.
Onde E é o poder emissivo (), P é a potência (W), A é a área (), é emissividade (), é a constante de Stefan-Boltzmann [] e T4 é a temperatura do corpo (°C).
Obs. W = j/s; 1 cal = 4,19 j.
Exemplo: Durante o churrasco utilizou-se uma chapa elétrica de 100W de potência cuja área da chapa é de 0,61 m2 e sua emissividade é 0,075, qual será a temperatura máxima da chapa?
Solução: Primeiramente, vamos resolver a equação para T, uma vez que o que estamos procurando:
Assim, a temperatura da chapa será, de no máximo, próximo de 170,1 .
Aplicações
Fontes alternativas de energia (painel solar, aquecedor de água etc.)
	Exercício
Atividade com questões de vestibulares (ver ANEXO).
	Material necessário: quadro e giz.
	Bibliografia
ARRUDA, Marina Patrício; PORTAL, Leda Lísia Franciosi. Saberes e fazeres docentes: o dilema da reforma do pensamento e da prática pedagógica do educador do século XXI. RevistaPercursos. Florianópolis, v. 13, n. 01, p. 19-210, jan./jun. 2012.
UFRGS. 2011. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Beatriz/irradiacao.htm>. Acesso em: 26 nov. 2019.
VUOLO, José Henrique. Física do calor. 5. ed. São Paulo: USP, 2012.
FISICA NO COTIDIANO: lei de Stefan-Boltzmann. 2012. Disponível em: <http://fisicanodiaadia.blogspot.com/2012/02/lei-de-stefan-boltzmann.html>. Acesso em 03 fev. 2020.
CONSTANTE DE STEFAN-BOLTZMANN. 2019. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Stefan%E2%80%93Boltzmann>. Acesso em 03 fev. 2020.
PROFESSOR PANOSSO. Exercícios de Física: transferência de calor. Disponível em: <http://www.professorpanosso.com.br/documentos/transferencia%20de%20calor%20panosso%2010.pdf>. Acesso em 03 fev. 2020.
Física e Vestibular. 2008. Disponível em: <https://fisicaevestibular.com.br/novo/fisica-termica/termometria/processos-de-propagacao-de-calor/exercicios-de-vestibulares-com-resolucoes-comentadas-sobre-processos-de-propagacao-de-calor/>. Acesso em 03 fev. 2020.
COZINHA TÉCNICA. 2018. Disponível em: <https://cozinhatecnica.com/2018/05/panelas-guia-de-materiais/>. Acesso em 03 fev. 2020.
EXERCICIOS
01-(ENEM-MEC) Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330mL de refrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Ao retirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata está mais fria que a garrafa. É correto afirmar que:
a) a lata está realmente mais fria, pois a capacidade calorífica da garrafa é maior que a da lata.
b) a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menor que o alumínio.
c) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividade térmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos.
d) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do alumínio ser maior que a do vidro.
e) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devida ao fato de a condutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio.
02- Uma das extremidades de um espeto de churrasco, com 100 cm de comprimento e 5 cm2 de seção transversal, está situada em uma churrasqueira a 150°C sob pressão normal, e a outra extremidade, situa-se a uma temperatura de 25°C. Despreze as perdas de calor pela superfície lateral da barra. Sendo que o coeficiente de condutividade térmica do cobre é , determine. 
a) o fluxo de calor através da barra
b) a temperatura numa seção da barra situada a 20 cm da extremidade fria.
03-(UFMG) No verão, Tia Maria dorme coberta somente com um lençol de algodão, enquanto, no inverno, ela se cobre com um cobertor de lã. No inverno, a escolha do cobertor de lã justifica-se, PRINCIPALMENTE, porque este:
a) é mais quente que o lençol de algodão. 
b) é pior transmissor de calor que o lençol de algodão.
c) se aquece mais rápido que o lençol de algodão. 
d) tem mais calor acumulado que o lençol de algodão. X
04- Um carvão à temperatura de 800 K irradia na razão de 9,07 × 10-4 W/m2. À temperatura de 400 K, a irradiação, em W/m2, é igual a
(A) 4,54 × 10-3
(B) 1,81 × 10-5
(C) 0,91 × 10-1
(D) 7,26 × 106
(E) n.d.a.
05-(UFPR-PR) Com relação aos processos de transferência de calor, considere as seguintes afirmativas:
1. A condução e a convecção são processos que dependem das propriedades do meio material no qual ocorrem.
2. A convecção é um processo de transmissão de calor que ocorre somente em metais.
3. O processo de radiação está relacionado com a propagação de ondas eletromagnéticas.
Assinale a alternativa correta.
a) Somente a afirmativa 1 é verdadeira. 
b) Somente a afirmativa 2 é verdadeira. 
c) Somente a afirmativa 3 é verdadeira.
d) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras. 
e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
06-(PUC-MG) Uma garrafa térmica tem paredes prateadas e duplas com vácuo no espaço intermediário. A vantagem de se fabricarem garrafas térmicas assim é porque as paredes prateadas:
a) absorvem o calor e o vácuo é um ótimo isolante térmico.
b) são altamente refletoras e o vácuo, um ótimo isolante térmico.
c) absorvem o calor e o vácuo é um excelente condutor.
d) são altamente refletoras e o vácuo é um excelente condutor.
07- Uma sopa em um prato raso, inicialmente a 95°C está em um ambiente com temperatura de 26°C sabendo que o coeficiente de transferência convectiva de calor é e que o fluxo de calor é . Calcule a área da superfície da sopa, considere que a única forma de propagação de calor neste problema é a convecção.
08- (COLÉGIO NAVAL) Assinale a opção que completa corretamente as lacunas das sentenças abaixo, em relação aos processos de transmissão de calor. 
I – Ao colocar um alimento para esquentar, a chama do fogão transmite calor para a panela principalmente por?
II – O aparelho de ar condicionado instalado na parte superior de uma parede refrigera o ambiente por?
III- O vidro espelhado das garrafas térmicas evita a propagação do calor por?
IV – O congelador de uma geladeira, instalado na parte superior, tem por objetivo provocar a transmissão do calor por? 
V – Para facilitar a retirada de uma tampa metálica presa num vidro pode-se provocar a dilatação da mesma ao derramar água quente na tampa devido ao calor que é transmitido por?
(A) condução / convecção / irradiação / convecção / condução
(B) irradiação / convecção / condução / condução / convecção
(C) convecção / condução / irradiação / condução / convecção
(D) condução / condução / convecção / convecção / irradiação
(E) irradiação / condução / condução / convecção / convecção