Propagação de Calor: Condução, Convecção e Irradiação

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INSTITUTO SUPERIOR DE TEOLOGIA APLICADA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
TURMA 13 - NOITE
FÍSICA EXPERIMENTAL II
PROFESSORA: FRANCINALDA ARAGÃO CARNEIRO
AULA PRÁTICA DE FÍSICA EXPERIMENTAL
PROPAGAÇÃO DE CALOR
MARIA GISLANNY PONTES RIBEIRO
2018208936
Sobral - CE
2019.2
PROPAGAÇÃO DE CALOR
 OBJETIVO
O objetivo deste experimento é o conhecimento da propagação de calor se relacionando fisicamente através de instrumentos e obtendo conhecimento especifico de irradiação, convecção e condução. 
INTRODUÇÃO
A propagação do calor entre dois sistemas pode ocorrer através de três processos diferentes: a condução, a convecção e a irradiação. 
A CONDUÇÃO TÉRMICA, como detalharemos adiante, é um processo lento de transmissão de energia, de molécula para molécula, sempre no sentido das temperaturas mais altas para as mais baixas. 
Na CONVECÇÃO TÉRMICA, as partes diferentemente aquecidas de um fluido movimentam-se no seu interior devido às diferenças de densidades das porções quente e fria do fluido. Tanto a convecção como a condução não podem ocorrer no vácuo, pois necessitam de um meio material para que possam ocorrer. 
A IRRADIAÇÃO é a propagação de energia através de ondas eletromagnéticas. Quando a energia dessas ondas é absorvida por um corpo, intensifica-se a agitação de suas moléculas, acarretando aumento de temperatura. Esse tipo de propagação energética pode ocorrer no vácuo. 
FLUXO DE CALOR
Seja Q a quantidade de calor que passa por uma superfície S num intervalo de tempo Δt. Definimos fluxo de calor (ɸ) como sendo o quociente entre Q e Δt:
ϕ=QΔtϕ=QΔt
A unidade de fluxo de calor no SI é o watt (W), isto é, joule por segundo. No entanto, são muito usadas as unidades caloria por segundo (cal/s) e caloria por minuto (cal/min). A definição de fluxo de calor é válida qualquer que seja o processo de propagação de calor através da superfície. 
	CONDUÇÃO 
É a forma de transferência de calor onde a energia é transferida de partícula para partícula, através da agitação atômico-molecular. Logo, só é possível em meios materiais e tende a ser mais acentuada em sólidos, onde a interação entre as partículas é maior.
Acredita-se que os elétrons livres tenham participação fundamental nesse processo, pois os metais são os materiais que mais eficientemente transmitem a energia por condução, sendo denominados bons condutores ou simplesmente condutores térmicos. Há materiais em que a condução ocorre de modo pouco intenso, sendo denominados maus condutores térmicos ou isolantes térmicos. Estão nesse caso, por exemplo, os líquidos e os gases em geral, o isopor, a madeira, o feltro e a cortiça. Esses materiais têm larga aplicação prática, sempre que se deseja isolamento térmico. Assim, cabos de panela são de madeira ou plástico, geladeiras portáteis são de isopor, calorímetros são isolados com placas de cortiça, etc.
Tomemos como exemplo uma barra sólida, cujo comprimento vale L e com seção transversal A, colocada entre dois sistemas com temperaturas constantes, mas diferentes em seus extremos.
Considerando-se uma barra de comprimento L e seção reta A, observa-se que a temperatura varia ao longo da barra de uma extremidade a outra de modo contínuo. É fundamental que a barra seja isolada lateralmente. Neste caso, o fluxo de calor através da barra será dado pela Lei de Fourier:
ϕ=QΔt=kA⋅(T2−T1)Lϕ=QΔt=kA⋅(T2−T1)L
onde T2 e T1 são as temperaturas das extremidades da barra. A constante de proporcionalidade k é característica de cada substância, sendo denominada coeficiente de condutibilidade térmica do material. Seu valor é elevado para os condutores e baixo para os isolantes. 
	CONVECÇÃO
É uma forma de transferência de calor que acontece somente em fluidos, isto é, nos líquidos, gases e vapores, uma vez que há movimentação das partículas diferentemente aquecidas no interior do meio, não podendo ocorrer nos sólidos. Sua causa é a mudança de densidade dos fluidos com a temperatura. 
Quando um fluido é aquecido por sua parte inferior, esta região se torna mais quente, menos densa, e o fluido sobe; a região superior do fluido, relativamente mais fria e mais densa, desce. Formam- se então as denominadas correntes de convecção (uma ascendente quente e outra descendente fria), que podem ser visualizadas se colocarmos um pó fino, como serragem, no interior do líquido.
A convecção apresenta uma série de aplicações e situações práticas:
- o congelador, que é colocado no alto dos refrigeradores, para que o ar resfriado pelos mesmos desça e resfrie também a geladeira. Esse também é o motivo pelo qual devemos, se possível, instalar os aparelhos de ar condicionado na parte de cima dos cômodos;
- a eliminação de gases pelas chaminés: gases, estando aquecidos, tendem a subir devido à baixa densidade.
	IRRADIAÇÃO
Corpos a qualquer temperatura possuem a propriedade de emitir ondas eletromagnéticas ou radiação. Isso é chamado de irradiação térmica. As características dessa radiação dependem da temperatura que o corpo se encontra, verificando-se que quanto maior a temperatura maior a frequência e maior a intensidade de energia irradiada.
As ondas eletromagnéticas podem se apresentar sob diversas formas: luz visível, raios X, raios ultravioleta, raios infravermelhos etc. Dessas, as que apresentam efeitos térmicos mais acentuados para o corpo humano são os raios infravermelhos. 
Essa forma de transferência de calor difere das demais, pois as ondas eletromagnéticas conseguem se propagar no vácuo, não necessitando de um meio material, o que não acontece na condução e na convecção. Logo, essa é a forma de transmissão de calor do Sol até nós, por exemplo.
MATERIAIS UTILIZADOS 
Os materiais utilizados na execução do experimento foram:
1. Vela;
2. Termômetro;
3. Recipiente preto com porta termômetro;
4. Recipiente branco com porta termômetro;
5. Lâmpada;
6. Haste;
7. Cilindro 
8. Ventosa.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
	Em uma equipe composta por alguns participantes, fomos ao laboratório de física experimental para realizar um experimento sobre propagação de calor. O experimento foi dividido em três etapas. 
	No primeiro experimento foi pego dado equipamento onde havia uma lâmpada. Em seguida foi pego um cilindro onde o mesmo foi colocado ao redor da lâmpada. Em seguida pegou-se uma ventosa, deixando os mesmos nos locais estabelecidos nos equipamento. Feito isso, foi feita a seguinte pergunta: “O que aconteceu com a hélice após 5 minutos?”. A explicação é que quando coloca o cilindro através da lâmpada, a área de massa de ar gasosa é limitada. Depois de 5 minutos observou-se que a massa de ar gasosa sobe e movimenta as hélices, pois a massa de ar gasosa contida no cilindro é aquecida através da irradiação da lâmpada. 
	No segundo experimento pegou-se dois suportes para termômetro, um da cor branca e outro da cor preta. Foi colocado os suportes perto das lâmpadas e foi adicionado os termômetro no suporte para medir suas temperaturas. Anotou-se a temperatura inicial de cada termômetro, em seguida os mesmo permaneceram durante 5 minutos próximos da lâmpada para medir suas temperaturas finais. 
	A temperatura inicial do termômetro do suporte preto foi de 27°c, a do suporte branco teve sua temperatura de 27°c. Feito todo o experimento e depois de 5 minutos, observamos que a temperatura de ambos subiram. Obtivemos um resultado do termômetro de suporte branco de 34°c e do suporte preto de 36°c. Ambos tiveram suas mudanças elevadas através da propagação de calor. Através do experimento podemos perceber que a temperatura do termômetro do suporte preto teve uma maior absorção de calor, onde o preto absorve mais energia que o branco.
	No terceiro experimento foi pego uma vela e uma bila. Colamos a bila com cera no suporte. Em seguida acendemos a vela e a colocamos abaixo da bila. Em alguns estante a bila cai do suporte pois a bila recebeu calor de convecção e condução. 
RESULTADOS E DISCUSSÃO 
	No primeiro experimento realizado e finalizado tivemos uma propagaçãode calor através da irradiação. Observamos que após deixar a lâmpada acesa com o cilindro ao seu redor, suas extremidades espalharam-se por toda sua superfície, onde foi possível observar que a massa de ar gasosa subiu e movimentou-se as hélices. Isso aconteceu pois a massa de ar gasosa contida no cilindro é aquecida através da irradiação da lâmpada. 
	No segundo experimento realizado, obtivemos uma propagação de calor através da irradiação. Onde observamos que a temperatura inicial do termômetro do suporte preto foi de 27°c, a do suporte branco teve sua temperatura de 27°c. Feito todo o experimento e depois de 5 minutos, observamos que a temperatura de ambos subiram. Obtivemos um resultado do termômetro de suporte branco de 34°c e do suporte preto de 36°c. Ambos tiveram suas mudanças elevadas através da propagação de calor. Através do experimento podemos perceber que a temperatura do termômetro do suporte preto teve uma maior absorção de calor, onde o preto absorve mais energia que o branco.
	TERMÔMETRO
	INICIAL
	FINAL
	BRANCO
	27°
	34°
	PRETO
	27°
	36°
No terceiro experimento obtivemos uma propagação de calor através da convecção e condução. 
CONCLUSÃO
	Com o experimento foi possível ver três formas de propagação de calor, a condução, a convecção e a 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. 
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REFERÊNCIAS