Técnico Integrado Módulo: 3 – Manhã.
Física 3 Transmissão de Calor
Transmissão de Energia Térmica 1 – Introdução – Nesta ficha, estudaremos as diversas formas pelas quais um corpo, ou uma região qualquer, pode receber energia térmica de outro corpo, ou de outra região. Podendo acontecer através de três processos distintos: a condução, a convecção e a irradiação. 2 – Condução 1. Conceito – é o tipo de transmissão de energia térmica em que essa energia passa de partícula para partícula do meio. Só ocorre em meios materiais. 2. Fluxo de Energia Térmica – Seja Q a quantidade de energia térmica que, durante um intervalo de tempo t, passa através de uma superfície (perpendicularmente). O fluxo térmico através dessa superfície é a grandeza escalar , definida por:
Q t
Unidade no SI: joule/segundo (J/s) Unidade prática: caloria/segundo (cal/s) 3. Fluxo térmico por condução em regime estacionário Quando o fluxo de energia térmica através do corpo for constante, sua temperatura em cada ponto não varia com o tempo, dizemos então, que ele encontra-se em regime estacionário. Valendo a expressão abaixo: (Chamada Lei de Fourrier da condução térmica).
k.A. L
,
no SI, a unidade de k é J/s.m.K ou J/s.m.°C.
Material Ar seco Lã de vidro Pinho (madeira) Tijolo de barro Água Tecido humano Prata Cobre Aço
K(J/s.m.°C) 0,023 0,035 – 0,16 0,08 – 0,16 0,56 0,56 0,2
I s o l a n t e
418,7 389,6 45,4
C o n d u t.
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ente a 0 °C? O coeficiente de condutibilidade térmica do cobertor é 0,00008 cal/s.cm.°C. (Resp. 38.016 cal) 3 – Convecção É o tipo de transmissão de energia térmica em que essa energia é transmitida por massas fluidas que se deslocam de uma região para outra em virtude da diferença de densidade dos fluidos existentes nessas regiões. EXEMPLO: Coloque uma das mãos a cerca de 10 cm acima da chama de uma vela e a outra a cerca de 10 cm ao lado da chama. Verifique que a mão que está acima senti o aquecimento, porque o ar quente próximo à chama, torna-se menos denso que o ar restante e sobe, chegando até sua mão. Esse movimento de ar ascendente é denominado corrente de convecção. Nesse momento o ar frio desce, formando uma corrente de convecção descendente. Algumas aplicações e conseqüências da convecção: Chaminés Radiadores de automóveis Congeladores de geladeiras são colocados na parte superior. Ar-condicionado preferencialmente na parte superior do ambiente. Inversão térmica No inverno, nas grandes cidades, os gases expelidos pelos veículos automotores e indústrias tornam-se mais frios por estarem mais próximos ao solo do que o ar mais puro das camadas superiores da atmosfera, deixando de se elevarem como habitualmente fazem. 4 – Irradiação É o tipo de transmissão de energia térmica que ocorre através de ondas eletromagnéticas, especialmente as radiações infravermelhas, também denominadas “ondas de calor” É o único processo de transmissão que pode ocorrer no vácuo e em meios “transparentes”. Obs.: a) A Terra é aquecida pelo Sol por irradiação. b) Superfícies escuras absorvem mais radiações. c) Uma camisa clara absorve muito menos e reflete (devolve para o ambiente) muito mais as radiações que recebe. d) Um bom absorvente térmico também é um bom emissor térmico. Ex. Dois tijolos idênticos pintados: um de branco e o outro de preto. NOTA: Quando o calor radiante Incide na superfície de um corpo, ele é parcialmente Absorvido, parcialmente Refletido e parcialmente Transmitido.
Qi Q A QR QT
EXEMPLO 1: Quantas calorias são transmitidas por Q Q Q a A ; r R ; t T Somando as três: metro quadrado de um cobertor de 2,5 cm de espessuQi Qi Qi ra, durante uma hora, estando a pele a 33 °C e o ambiProf. Viriato. 1 Transmissão de Calor
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Transmissão de Calor EXERCÍCIOS a+r+t=1
Obs.: a = 0,8 80% do calor nele incidente foi absorvido. Os 20% restante do calor devem se dividir entre a reflexão e transmissão. Corpo atérmico Não ocorre transmissão, ou seja: a + r = 1 As grandezas a, r e t são denominadas, respectivamente, poder absorvedor, poder refletor e poder refletor. Corpo negro: é um corpo ideal que absorve toda energia radiante nele incidente a = 1 (100%) e sua refletividade é nula (r = 0). O espelho ideal: reflete totalmente a energia radiante nele incidente a = 0 e refletividade r = 1 (100%). Lei dos Intercâmbios (Prévost 1792): Todos os objetos estão irradiando (emitindo) calor continuamente. No equilíbrio térmico, a potência irradiada ou emitida por um objeto é igual à potência que ele absorve, na forma de radiação, dos objetos vizinhos. O corpo negro, sendo um absorvedor ideal, é também o emissor ideal ou perfeito. Poder Emissivo (E) de um corpo depende da sua natureza e da temperatura em que se encontra, sendo definido por: E = P/A, onde P é a potência irradiada (emitida) e A a área. Unidades: W/m², cal/s.cm², etc. Para um corpo negro o Poder emissivo é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta. (Lei de Stefan-Boltzmann)
E CN T 4 , Onde : 5,7.10 8
W 2
m .K 4
Emissividade (e) é uma grandeza que compara o poder emissivo de um corpo qualquer com o de um corpo negro:
e
E E CN
A emissividade de um corpo negro é: e = 1. Obs.: Para um corpo qualquer, a expressão da Lei de Stefan-Boltzmann pode ser escrita:
E eT 4 Lei de Kirchhoff: Em dada temperatura, a emissividade e a absorvidade de um corpo são iguais. (e = a) Exemplo: Durante certo tempo, 20.000 cal incidem em um corpo atérmico. Verifica-se que são absorvidas, nesse mesmo tempo, 5.000 cal. Determine a absorvidade e a refletividade do corpo. (Resp. a = 0,25 (25%) e r = 0,75 (75%)).
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01. Por que a serragem é melhor isolante térmico do que a madeira da qual foi retirado? 02. (Puccamp – SP) Uma estufa está à temperatura de 40 °C, quando no exterior a temperatura é de 0 °C. As paredes da estufa são constituídas de placas de vidro de espessura de 2 mm e área de 2500 cm². Qual o calor transmitido em cada segundo através da placa de vidro? Dados: K = 0,0015 cal/s.cm.°C . 03. (Puccamp – SP) Uma pessoa cuja pele está à temperatura de 37 °C veste um agasalho de espessura 1,85 cm e área 1,0 m². O material com que foi tecido o agasalho tem condutibilidade térmica K = 80 . 10-6 cal/cm.s.°C. sabendo-se que a temperatura ambiente, onde se encontra a pessoa, é de 0 °C, determinar a quantidade de calor conduzida através do agasalho durante 60 minutos. 04. (Fuvest – SP) Tem-se uma barra cilíndrica de comprimento L = 50 cm e base com área S = 10 cm². Uma de suas bases (A) é mantida a uma temperatura constante TA = 100 °C e a outra (B) é mantida em contato com uma mistura de água e gelo à temperatura TB = 0 °C. A quantidade Q de calorias que passa de A para B em função do tempo t é dada pela expressão:
Q
0,5.(T A TB ). A.t , na qual t é medido em L
segundos. Nessas condições calcule a quantidade de calor que passa em 1 s. 05. A condutividade térmica do vidro utilizado em vidraças é de 1,0 j/s.m.°C. Calcular o fluxo de calor através de uma vidraça de área 2,0 m² e espessura 5,0 mm se a diferença de temperaturas entre as faces é de 20 °C. 06. Através de que distância deve fluir calor por condução dos capilares sangüineos para a pele humana se a diferença de temperatura é de 0,50 °C? Considere que a condutibilidade térmica do tecido humano vale 0,2 J/s.m.°C e que a 200 W devem ser transferidos através de toda a superfície do corpo cuja área total é de 1,5 m². 07. (Faap – SP) Uma casa tem cinco janelas, tendo cada uma um vidro de área 1,5 m² e espessura 3 . -3 10 m. A temperatura externa é – 5 °C e a interna é mantida a 20 °C, através da queima de carvão. Qual é a massa de carvão consumida no período de 12 h para repor o calor perdido apenas pelas janelas? Dados: Condutividade térmica do vidro = 0,72 kcal/h.m.°C; calor de combustão do carvão = 6 . 103 cal/g.
08. Explique porque uma chaminé bem construída é revestida internamente com material isolante térmico. 2 Transmissão de Calor
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09. Você está de posse de um barril de chope, que está em temperatura ambiente e de uma barra de gelo. Para refrigerar o chope você colocaria o barril sobre a barra ou a barra sobre o barril? Justifique. 10. Após a limpeza de sua geladeira, uma zelosa dona – de – casa revestiu as prateleiras com papel alumínio. Quais as conseqüências desse impensado procedimento? 11. (PUC – SP) Levando em conta os efeitos provocados pelo calor, responda: Por que sentimos frio, quando aproximamos nossas mão de um bloco de gelo? 12. (FAAP – SP) Qual é a relação entre as energias irradiadas por um corpo negro a 1167 °C e a 15 °C? 13. Um corpo negro tem sua temperatura absoluta elevada de T para 3T. Quantas vezes aumenta a potência irradiada? 14. Quando a temperatura de um corpo negro aumenta de 27 °C para , a potência irradiada é multiplicada pelo fator 16. Determine : a) em °C; b) em °F. 15. Das maneiras citada a seguir, a melhor para uma pessoa entrar num forno quente é: a) nua. b) totalmente vestida de roupas pretas de lã. c) totalmente vestida de roupas brancas de lã. d) totalmente vestida de roupas brancas de lã, recobertas com alumínio pintando de preto. e) totalmente vestida de roupas de lã, recobertas com alumínio polido. 16. Um corpo atérmico tem absorvidade 0,3 e refletividade 0,7. Calcule quantas calorias são refletidas e quantas são absorvidas ao incidirem 50.000 cal sobre esse corpo. 17. (Fuvest – SP) Tem-se dois corpos com a mesma quantidade de água, um aluminizado A e outro negro N, que ficam expostos ao Sol durante uma hora. Sendo inicialmente as temperaturas iguais, é mais provável que ocorra o seguinte: a) Ao fim de uma hora não se pode dizer qual a temperatura é maior. b) As temperaturas são sempre iguais em qualquer instante. c) Após uma hora, a temperatura de N é maior do que a de A. d) De início, a temperatura de A decresce (devido à reflexão) e a de N aumenta. e) As temperaturas de N e de A decrescem (devido à evaporação) e depois crescem.
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18. (PUC – SP) Uma garrafa térmica feita de vidro com face interna espelhada para: a) Reduzir as perdas de calor por radiação. b) Reduzir as perdas de calor por convecção. c) Reduzir as perdas de calor por condução. d) Elevar o ponto de ebulição da água. e) Impedir a formação de vapor de água.
Respostas: 01. O coeficiente de condutibilidade térmica do AR é 0,023 (No SI) e da MADEIRA está entre 0,08 a 0,16, como a serragem é pó granulado de madeira com ar entre suas partículas, torna-se melhor isolante do que a madeira. 4 02. 750 cal/s. # 03. 5,8 . 10 cal. # 04. 10 cal. # 05. 8000 W # 06. 0,75 mm # 07. 90 kg 08. As correntes de convecção formadas no interior da chaminé – responsáveis pela subida da fumaça – dependem da diferença de densidade entre o ar ambiente e a fumaça no interior da chaminé. A densidade da fumaça fica tanto menor quanto mais aquecida ela esteja. O isolamento térmico interno da chaminé dificulta o resfriamento indesejável da fumaça. 09. A barra sobre o barril, pois o chope na parte superior do barril ao ser resfriado desce, sendo substituído pelo chope mais quente que estava na parte inferior. 10. Ocorre impedimento a livre circulação do ar das correntes de convecção no interior da geladeira, ficando a parte superior muito refrigerada, enquanto a parte inferior ficará mais quente do que o desejado. 11. Devido à diferença de temperaturas, nossas mãos irradiam calor na direção do gelo. Essa perda de calor nos dá a sensação de frio. Deve-se levar em conta que nossas mãos também perdem calor para o ar frio que envolve o bloco de gelo. 12. 625. 13. 81. 14. A) 327 °C; b) 620,6 °F 15. E. 16. 15.000 cal e 35.000 cal. 17. c. 18. a.
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