Eletromagnetismo Aula 1

TERMOMETRIA, CALORIMETRIA E TERMODINMICA Aula 5Maria Augusta Constante Puget (Magu)Mecanismos de Transferncia de Calor (1)2A propagao do calor pode ocorrer por trs processos diferentes:Conduo.Conveco.Irradiao.Qualquer que seja o processo, a transmisso do calor obedece seguinte lei geral:

Espontaneamente, o calor sempre se propaga de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor temperatura.Fluxo de Calor (1)3

Fluxo de Calor (2)4Conduo Trmica (1)5Se seguramos a extremidade A de uma barra de ferro AB, levando a outra extremidade a uma chama, aps um intervalo de tempo relativamente curto, a extremidade que seguramos estar quente.Este processo de propagao de calor chamado de conduo trmica.A propagao por conduo exige a presena de um meio material para ocorrer.

Conduo Trmica (2)6Os tomos da barra que esto em contato com a chama adquirem energia cintica extra e, vibrando mais intensamente, interagem com os tomos vizinhos que, sucessivamente interagem com outros, propagando o calor por toda a extenso da barra.

Conduo Trmica (3)7Um exemplo familiar o da panela com gua que colocamos sobre uma chama. Neste caso, o calor se transmite da chama para a gua atravs da parede metlica da panela, por conduo.

Todas as leis bsicas da conduo de calor podem ser ilustradas por este exemplo: O fluxo do calor proporcional diferena de temperatura T: A gua ferve mais depressa se a temperatura da chama for mais alta.Conduo Trmica (4)8O fluxo do calor inversamente proporcional espessura x da chapa metlica: Quanto mais espesso o fundo da panela, mais tempo leva para ferver a gua.

O fluxo do calor proporcional rea A atravs da qual o calor est fluindo: Quanto maior a rea do fundo da panela, mais rapidamente a gua ferve.

Conduo Trmica (5)9Coeficiente de Condutividade Trmica (1)10Coeficiente de Condutividade Trmica (2)11Coeficiente de Condutividade Trmica (3)12

Lei da Conduo Trmica (1)13

Lei da Conduo Trmica (2)14Conduo Atravs de uma Parede Composta (1)15A figura abaixo exibe uma parede composta, formada por dois materiais com diferentes espessuras L1 e L2 e diferentes condutividades 1 e 2.As temperaturas das faces externas da parede so TQ (fonte de calor) e TF (sorvedouro de calor).Cada face da parede possui uma rea A.

Reserva-trio quente TQReserva-trio frio TFk2k1L2L1TxQConduo Atravs de uma Parede Composta (2)16Deseja-se deduzir uma expresso para a taxa de conduo (fluxo de calor) atravs da parede supondo que a transferncia seja um processo em regime permanente.Em regime permanente, a taxa de conduo atravs dos dois materiais deve ser igual.

Reserva-trio quente TQReserva-trio frio TFk2k1L2L1TxQConduo Atravs de uma Parede Composta (3)17Reserva-trio quente TQReserva-trio frio TFk2k1L2L1TxQConduo Atravs de uma Parede Composta (4)18Reserva-trio quente TQReserva-trio frio TFk2k1L2L1TxQAnalogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica (1)19Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica (2)20Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica (3)21Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica (4)22Dada esta analogia, comum a utilizao de uma notao semelhante a usada em circuitos eltricos, quando representamos a resistncia trmica de uma parede ou associaes de paredes. Assim, uma parede de resistncia R, submetida a um potencial T e atravessada por um fluxo de calor pode ser representada assim :

Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Associao em Srie (1)23Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Associao em Paralelo (1)24Consideremos um sistema de paredes planas associadas em paralelo, submetidas a uma fonte de calor de temperatura constante e conhecida TQ, de um lado e a um sorvedouro de calor, tambm de temperatura constante e conhecida TF, do outro lado.

Assim, haver a transferncia de um fluxo de calor contnuo no regime permanente atravs da parede composta.Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Associao em Paralelo (2)25Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Associao em Paralelo (3)26Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Associao em Paralelo (4)27Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Exemplo (1)28Calcular o fluxo de calor na parede composta abaixo, considerando a dimenso no representada igual a 1 cm:

onde:

Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Exemplo (2)29Usando a analogia eltrica, o circuito equivalente parede composta :

Calculando-se as resistncias trmicas de cada parede individual, temos:RA = 0,0025 h.0C/calRB = 1/40 h.0C/calRC = 1/40 h.0C/calRD = 1/60 h.0C/calRE = 0,00833 h.0C/calRF = 1/60 h.0C/calRG = 1/30 h.0C/cal

Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Exemplo (3)30Analogia entre Resistncia Trmica e Resistncia Eltrica Exemplo (4)31Variao da Condutividade Trmica com a Temperatura (1)32A condutividade trmica dos materiais varia com a temperatura. Esta variao mostrada no grfico abaixo para alguns materiais:

Isolamento Trmico (1)33O isolamento trmico uma importante aplicao relacionada com a conduo.No cotidiano, utilizam-se materiais isolantes trmicos para minimizar a transferncia de calor entre corpos a diferentes temperaturas. Ex: Geladeiras de isopor, agasalhos feitos de material isolante, cabos de panela, paredes de foges e refrigeradores, isolados do exterior por materiais como l de vidro e poliuretano.

Escolhendo materiais (1)Roupa "quente" ou "fria"? a roupa que quente?O frio que sentimos no inverno devido s perdas de calor do nosso corpo para o meio ambiente que est a uma temperatura inferior.A roupa de l no produz calor, mas isola termicamente o nosso corpo, pois mantm entre suas fibras uma camada de ar. A l, que tem baixo coeficiente de condutividade trmica, diminui o processo de troca de calor entre ns e o ambiente. Esse processo deve ser facilitado no vero com o uso de roupas leves em ambientes refrigerados.

34Escolhendo materiais (2)Apesar de perdermos calor constantemente, o nosso organismo se mantm a uma temperatura por volta de 36,5oC devido combusto dos alimentos que ingerimos. Somos homeotrmicos.Por que os passarinhos e os roedores esto sempre comendo? Por estar em constante movimento, esses animais pequenos necessitam proporcionalmente de mais alimentos que um ser humano, se levarmos em conta o seu peso. atravs da superfcie que um corpo perde calor. Um animal pequeno tem maior superfcie que um de grande porte, proporcionalmente ao seu peso, e por isso que tem necessidade de comer mais.

35Perdas de Calor pelo Corpo (1)A transferncia de calor no corpo humano envolve uma combinao de mecanismos que, juntos, mantm uma temperatura notavelmente constante e uniforme, apesar de grandes variaes nas condies ambientais. Como j foi mencionado, o principal mecanismo interno a conveco forada, com o corao servindo de bomba e o sangue como fluido circulante. As trocas de calor com o ambiente envolvem conduo, conveco e radiao, em propores que dependem das circunstncias. A perda total de calor pelo corpo humano da ordem de 2 000 a 5 000 kcal por dia, dependendo da atividade.Um corpo nu em ar parado perde aproximadamente metade de seu calor por irradiao. Sob condies de vigorosa atividade e grande transpirao, o mecanismo dominante resfriado por evaporao.36Valor Energtico dos Alimentos (1)37

Conveco Trmica (1)38Conveco consiste no transporte de energia trmica de uma regio para a outra por meio do transporte de matria, o que s pode ocorrer nos fluidos (lquidos e gases).

A movimentao das diferentes partes do fluido ocorre pela diferena de densidade que surge em virtude do seu aquecimento ou resfriamento.

Conveco Trmica (2)39Quando uma certa massa de um fluido aquecida suas molculas passam a mover-se mais rapidamente, afastando-se, em mdia, uma das outras. Como o volume ocupado por essa massa fluida aumenta, a mesma torna-se menos densa. A tendncia dessa massa menos densa no interior do fluido como um todo sofrer um movimento de ascenso. A parte do fluido mais fria (mais densa) move-se para baixo tomando o lugar que antes era ocupado pela parte do fluido anteriormente aquecido. Esse processo se repete inmeras vezes, enquanto o aquecimento mantido, dando origem s chamadas correntes de conveco. Conveco Trmica (3)40A conveco pode ser:

Natural: Quando calor transferido pela circulao de fluidos devido a mudanas de densidade induzidas pelo prprio calor.Forada: Quando o movimento causado por um agente externo, como uma bomba ou um ventilador.

Conveco Trmica (4)41Aplicaes e consequncias da conveco trmica:Devido diferenas de temperatura em diferentes pontos da atmosfera, estabelecem-se correntes de conveco ascendentes de ar quente. Planadores, asas-deltas e outros veculos no motorizados movimentam-se no ar graas a essas correntes. O veculo s ganha altitude quando alcana uma corrente quente ascendente, pois em voo planado est sempre descendo. Tambm os pssaros procuram igualmente trmicas ascendentes.

Conveco Trmica (5)42Para se resfriar um ambiente de forma mais eficiente, esse resfriamento deve ser feito a partir da regio superior, porque o fluido frio tende a descer. Por isso o ar condicionado deve ser colocado no alto.J para se aquecer um ambiente, deve-se colocar o aquecedor no solo.

Conveco Trmica (6)43A gua, tendo um alto calor especfico, sofre variaes de temperatura relativamente pequenas. Assim, numa regio litornea, a terra se aquece mais do que o mar, durante o dia. O ar em contato com a terra se aquece e sobe, produzindo uma regio de baixa presso, aspirando o ar que est sobre o mar: sopra a brisa martima. noite, ao perder calor, a terra se resfria mais do que o mar. O processo se inverte e sopra a brisa terrestre.

Conveco Trmica (7)44Nas grandes cidades, a conveco um fenmeno muito importante para a disperso dos poluentes atmosfricos. Como os gases eliminados pelos veculos e pelas indstrias esto mais quentes que o ar das camadas superiores, eles sobem e se diluem na atmosfera. No inverno, entretanto, comum o ar poludo, prximo ao solo estar mais frio que o ar puro das regies mais elevadas. Desse modo, deixa de ocorrer a conveco, aumentando a concentrao dos poluentes no ar. Essa ocorrncia recebe o nome de inverso trmica e pode ser agravada na ausncia de ventos e de chuva.

Conveco Trmica (8)45No caso da gua, as correntes de conveco se invertem abaixo de 40C. Uma vez que a sua densidade menor a 20C que a 30C, temperaturas inferiores a 40C fazem com que a gua mais quente desa, enquanto sobe a mais fria. por isso que nos lagos o gelo se forma a partir da superfcie. Graas a isto, eles no chegam a congelar totalmente: a camada de gelo (isolante trmico) dificulta o esfriamento das camadas inferiores.

Irradiao (1)46A transmisso de energia por meio de ondas eletromagnticas (ondas de rdio, luz visvel e raios ultravioleta, entre outras) denominada irradiao ou radiao.Quando essas ondas so os raios infravermelhos, temos a irradiao trmica.Ao contrrio da conduo trmica e da conveco trmica, a irradiao ocorre sem a necessidade de um meio material: o transporte exclusivamente de energia, sob a forma de onda eletromagntica. o caso da energia que recebemos do Sol, que s pode chegar at ns por irradiao, visto que no vcuo no existe meio material.Radiao Eletromagntica (1)47A radiao eletromagntica uma oscilao em fase dos campos eltricos e magnticos.As oscilaes dos campos magnticos e eltricos so perpendiculares entre si e se propagam como uma onda transversal, cujas oscilaes so perpendiculares direo do movimento da onda.

Radiao Eletromagntica (2)48O espectro visvel, ou simplesmente luz visvel, apenas uma pequena parte de todo o espectro da radiao eletromagntica, que vai desde as ondas de rdio aos raios gama.

Radiao Infravermelha (1)49A radiao infravermelha (IV) uma radiao no ionizante na poro invisvel do espectro eletromagntico que est adjacente aos comprimentos de onda longos, ou final vermelho do espectro da luz visvel.Qualquer corpo com temperatura acima do zero absoluto (-273 C) emite radiao infravermelha. A radiao infravermelha originada da agitao trmica das partculas que constituem os corpos. Devido a essa agitao, as cargas eltricas dos tomos e molculas oscilam e emitem radiao eletromagntica.Irradiao Trmica (1)50

Irradiao Trmica (2)51Quando a energia radiante incide na superfcie de um corpo, ela :Parcialmente absorvida;Parcialmente refletida eParcialmente transmitida atravs do corpo.Na figura abaixo, da quantidade total de energia Qi incidente, absorvida a parcela Qa, reflete-se a parcela Qr e transmitida a parcela Qt, de modo que:

Qi = Qa + Qr + Qt

Irradiao Trmica (3)52Para avaliar a proporo da energia incidente que sofre os fenmenos de absoro, reflexo e transmisso, definimos as seguintes grandezas adimensionais:

Somando as trs grandezas temos:

AbsorvidadeRefletividadeTransmissividadea + r + t = 1Irradiao Trmica (4)53Assim, se um corpo tem absorvidade a = 0,8, significa que 80% da energia que nele incide absorvida. Os restantes 20% da energia total devem se dividir entre reflexo e transmisso.

Por definio, corpo negro um corpo ideal que absorve toda a energia radiante nele incidente. Desta forma, sua absorvidade a = 1 (100%) e sua refletividade nula, r = 0.O espelho ideal um corpo que reflete totalmente a energia radiante que nele incide, tendo absorvidade nula (a = 0) e refletividade r = 1.

Corpo negro: a = 1 r = 0Espelho ideal: a = 0 r = 1Irradiao Trmica (5)54Quando vrios corpos a diferentes temperaturas so colocados em um recinto termicamente isolado do exterior, ao fim de algum tempo, todos estaro a mesma temperatura.No entanto, todos os corpos continuam a irradiar energia. Como isto acontece?Estabelece-se um equilbrio dinmico que pode ser expresso na forma da lei dos intercmbios enunciada pelo fsico Pierre Prvost:

Todos os objetos esto irradiando energia continuamente. No equilbrio trmico, a potncia irradiada ou emitida por um objeto igual potncia que ele absorve, na forma de radiao, dos objetos vizinhos.Irradiao Trmica (6)55Assim, todo bom absorvedor tambm bom emissor e todo corpo bom refletor mau emissor.O corpo negro, sendo o absorvedor ideal, tambm o emissor ideal ou perfeito.Na prtica, h corpos que apresentam absorvidades quase unitrias, como a fuligem (a = 0,94), que excelente absorvedora e excelente emissora.Outros apresentam absorvidades quase nulas, sendo mau absorvedores e mau emissores, como a prata polida (a = 0,02).De um modo geral, corpos escuros apresentam absorvidade elevada e refletividade baixa. Ao contrrio, corpos claros e polidos so mau absorvedores e emissores.Lei de Stefan-Boltzmann (1)56Lei de Stefan-Boltzmann (2)57Para qualquer temperatura, o maior poder emissivo o do corpo negro, sendo o seu valor estabelecido pela Lei de Stefan-Boltzmann:

ECN = T4

O poder emissivo do corpo negro proporcional quarta potncia da sua temperatura absoluta.Lei de Stefan-Boltzmann (3)58Lei de Stefan-Boltzmann (4)59Lei de Kirchhoff (1)60Um corpo negro tem absorvidade aCN=1 e emissividade eCN=1. Assim, aCN=eCN.

Esta igualdade entre a emissividade e absorvidade vale para qualquer corpo, ou seja, um bom absorvedor de calor tambm um bom emissor.Lei de Kirchhoff (2)61Este resultado conhecido como Lei de Kirchhoff, cujo enunciado :

e = a

Em uma mesma temperatura, a emissividade e a absorvidade so iguais.Potncia Irradiada (1)62A potncia irradiada P por um corpo de emissividade e, temperatura T e cuja rea exposta ao ambiente A, pode ser expressa por:P = E AP = e T4 A Se o corpo estiver em equilbrio trmico com o ambiente, sua temperatura constante e, portanto, ele estar emitindo e absorvendo energia com a mesma rapidez.

Potncia Irradiada (2)63Porm, se as temperaturas dele e do ambiente forem diferentes, haver um fluxo lquido de energia.

Assim, se o corpo estiver a uma temperatura T e o ambiente a uma temperatura TA, a potncia lquida PL de ganho ou perda de energia ser dada por:PL = e A (TA4 - T4)

Potncia Irradiada (3)64PL = e A (TA4 - T4)A potncia lquida :Positiva (PL>0): Quando o ambiente est mais quente que o corpo (TA > T), significando que o corpo est recebendo energia, isto , absorvendo mais do que emite.Negativa (PL