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Física 3 | aulas 13 e 14 Propagação de Calor

Transporte de energia, molécula a molécula, sem transporte de matéria. Ocorre predominante em meios sólidos.

1. Condução

O calor se propaga por três processos diferentes:

Transporte de energia com transporte de matéria quese move por conta da mudança de densidade do meio devido àvariação de temperatura. Ocorre predominante em meioslíquidos e gasosos.

2. Convecção

Transporte de energia através de ondas eletromag-néticas. Ocorre tanto em meios materiais (sólidos, líquidos ou gasosos) quanto na ausência de matéria (vácuo).

3. Irradiação

Condução e convecção não acontecem no vácuo. Somente irradiação ocorre no vácuo!


Parede espelhada

externa

Parede espelhada

interna

Espaço entreas paredes

com “vácuo”(a rigor, ar rarefeito)

Condução e convecção não acontecem no vácuo. O ar rarefeito minimiza a condução e a convecção. Somente irradiação ocorre no vácuo. As paredes espelhadas refletem o calor irradiado.

Física 3 | aulas 13 e 14Exercício

1

(Unicamp 2016) Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superadopara que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, oentendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível. Em cada umadas situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calorenvolvido.I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo deenergia térmica até o congelador por __________.II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por __________.III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitarque o calor saia ou entre por __________.

Na ordem, os processos de troca de calor utilizados parapreencher as lacunas corretamente são:a) condução, convecção e radiação.b) condução, radiação e convecção.c) convecção, condução e radiação.d) convecção, radiação e condução.

Propagação de Calor

radiaçãoconvecção

condução


2

(Cefet-MG 2015) Estudantes de uma escola participaram de umagincana e uma das tarefas consistia em resfriar garrafas derefrigerante. O grupo vencedor foi o que conseguiu a temperaturamais baixa. Para tal objetivo, as equipes receberam caixas idênticasde isopor sem tampa e iguais quantidades de jornal, gelo em cubose garrafas de refrigerante. Baseando-se nas formas de transferênciade calor, indique a montagem que venceu a tarefa.


a)

b)

c)

d)

e)

Resolução

O jornal (papel) é um mau condutor térmico ou, se preferir, um bomisolante térmico. As caixas de isopor já tem paredes isolantes estandovulneráveis à troca de calor na parte superior. Logo, para evitar a trocade calor entre o ambiente externo e o interior da caixa, pode-se usaro jornal no topo da caixa, como tampa.Como o ar frio é mais denso do que o ar quente, tende a descer e aficar concentrado no fundo da caixa. Logo, é melhor posicionar o geloacima do refrigerante.

Física 3 | aulas 13 e 14

a) a água líquida apresenta calor específico menor do que o da areia sólida e, assim, devido a maiorpresença de areia do que de água na região, a retenção de calor no ambiente torna-se difícil, causandoa drástica queda de temperatura na madrugada.b) o calor específico da areia é baixo e, por isso, ela esquenta rapidamente quando ganha calor e esfriarapidamente quando perde. A baixa umidade do ar não retém o calor perdido pela areia quando elaesfria, explicando a queda de temperatura na madrugada.c) a falta de água e, consequentemente, de nuvens no ambiente do Saara intensifica o efeito estufa, oque contribui para uma maior retenção de energia térmica na região.d) o calor se propaga facilmente na região por condução, uma vez que o ar seco é um excelentecondutor de calor. Dessa forma, a energia retida pela areia durante o dia se dissipa pelo ambiente ànoite, causando a queda de temperatura.e) da grande massa de areia existente na região do Saara apresenta grande mobilidade, causando adissipação do calor absorvido durante o dia e a drástica queda de temperatura à noite.

Exercício

3

(Unesp 2014) O gráfico representa, aproximadamente,como varia a temperatura ambiente no período de umdia, em determinada época do ano, no deserto doSaara. Nessa região a maior parte da superfície do soloé coberta por areia e a umidade relativa do ar ébaixíssima. A grande amplitude térmica diáriaobservada no gráfico pode, dentre outros fatores, serexplicada pelo fato de que


O calor específico sensível representa uma espécie de resistência do material, ou dasubstância, à variação de temperatura. Assim, devido ao baixo calor específico, atemperatura da areia varia rapidamente quando recebe ou cede calor. Relativamente àareia, a água tem alto calor específico; havendo pouco vapor-d’água na atmosfera, não háum regulador térmico para impedir a grande amplitude térmica.

Resolução


Q

t

A Tk

d

Q

1 2A T T

kd

( )

•Duas regiões , separadas por uma distância d, são mantidas nas temperaturasT1 e T2 (constantes).•Calor Q passa constantemente da região de maior temperatura (T1) para aregião de menor temperatura (T2) por condução.•O calor flui através de uma área A num meio de condutividade térmica k.

A

T1 T2

1 2

Jm

d J energiaskA T T m K s m K tempo comprimento temperatura

.[ ] [ ] [ ]

[ ][ ] [( )] ² [ ] [ ] [ ]

S.I.:

d

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W2400

m²

Exercício

4

(UFSM 2015) Em 2009, foi construído na Bolívia um hotelcom a seguinte peculiaridade: todas as suas paredes sãoformadas por blocos de sal cristalino. Uma dascaracterísticas físicas desse material é sua condutividadetérmica relativamente baixa, igual a 6 W/(m⋅oC). A figura aseguir mostra como a temperatura varia através daparede do prédio. Qual é o valor, em W/m² do módulo dofluxo de calor por unidade de área que atravessa aparede?


a) 125 b) 800 c) 1.200 d) 2.400 e) 3.000

Resolução

1 2A T T

kd

( )

o

o 2

W 60 20 C6

m C 25 15 10 m

( )

( )

1 2

T Tk

A d

( )

2

6 40 W

10 10 m²

1

240 W

A 1 10 m²


5

(Fuvest 2014) Um contêiner com equipamentos científicos é mantido em uma estação depesquisa na Antártida. Ele é feito com material de boa isolação térmica e é possível, comum pequeno aquecedor elétrico, manter sua temperatura interna constante, Ti = 20 oC,quando a temperatura externa é Te = – 40 oC. As paredes, o piso e o teto do contêiner têma mesma espessura, Ɛ = 26 cm, e são de um mesmo material, de condutividade térmica k =0,05 J/(s⋅m⋅oC). Suas dimensões internas são 2 x 3 x 4 m³. Para essas condições, determinea) a área A da superfície interna total do contêiner;b) a potência P do aquecedor, considerando ser ele aúnica fonte de calor;c) a energia E, em kWh, consumida pelo aquecedorem um dia.


NOTE E ADOTEA quantidade de calor por unidade detempo (φ) que flui através de ummaterial de área A, espessura Ɛ econdutividade térmica k, com diferençade temperatura ΔT entre as faces domaterial, é dada por: φ = kAΔT/Ɛ

Resolução a) A área total (A) corresponde à soma das áreas das seis faces das caixa:

1 2 3A 2 A 2 A 2 A

1 2 32 A A A( )

2 2 4 2 3 3 4( ) 2 8 6 12( )

A 52 m²


5




Resolução b) Para manter a temperatura constante, a potência do aquecedor devecompensar o fluxo de calor de dentro para fora do contêiner. Logo :

A TP k

o2

o 2

52 m 20 40 CJ5 10

s m C 26 10 m

² [ ( ]

52 60 J5

26 s

[ ]

P 600 W


5




Resolução c) Por definição, potência (média) é a razão “energia / tempo”. Logo:

EP

t

P t E E 0 6 kW 24 h, E 14 4 kWh,


Exemplo:Ao tocarmos na maçaneta metálicae na madeira de uma porta, temosa sensação de que a maçaneta estámais fria. Mas ambas estão namesma temperatura, em equilíbriotérmico com o ambiente.Por que isso acontece?

1

2

•A mão perde calor tanto para a madeira quanto para ometal.•Mas o metal é melhor condutor de calor do que a madeira(Kmetal > Kmadeira).•Logo, o fluxo de calor 2 (da mão para o metal) será maiordo que o fluxo de calor 1 (da mão para a madeira).•Assim, ao perder calor mais rapidamente para o metal, esteparece estar “roubando mais calor” por estar mais frio. Mas“rouba” mais calor por ser melhor condutor.

Física 3 | aulas 13 e 14Extra

1

(Enem) Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330 mL derefrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Aoretirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata estámais 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 dalata.b) a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menorque a do alumínio.c) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividadetérmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos.d) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de acondutividade 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 acondutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio.



1

(Enem) Uma garrafa de vidro e uma lata de alumínio, cada uma contendo 330 mL derefrigerante, são mantidas em um refrigerador pelo mesmo longo período de tempo. Aoretirá-las do refrigerador com as mãos desprotegidas, tem-se a sensação de que a lata estámais 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 dalata.b) a lata está de fato menos fria que a garrafa, pois o vidro possui condutividade menorque a do alumínio.c) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, possuem a mesma condutividadetérmica, e a sensação deve-se à diferença nos calores específicos.d) a garrafa e a lata estão à mesma temperatura, e a sensação é devido ao fato de acondutividade 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 acondutividade térmica do vidro ser maior que a do alumínio.

Resolução


A mão, em temperatura mais alta, vai perder calor tanto para a lata de alumínio quantopara a garrafa de vidro. Mas o fluxo de calor será maior da mão para o alumínio (metal) que émelhor condutor, provocando a sensação de que a lata está a uma temperatura menor. Note quelata e garrafa foram mantidas por um longo período dentro do refrigerador. Logo, lata e garrafaestão em equilíbrio térmico com o interior do refrigerador e, portanto, na mesma temperatura.


1. Radiação solarrecebida na atmosfera

A atmosfera é transparente para a radiação solar mas semitransparente para ocalor reemitido pela Terra. Logo, parte do calor reemitido pela Terra ficaaprisionado pela atmosfera, aumentando a temperatura média do planeta.

atmosfera

1

2

2. Radiação solar refra-tada que chega à Terra

33. Radiação solar refle-tida de volta para o espaço

4. Calor emitido pela Terra aquecida

5

5. Calor “aprisionado” pela atmosfera

6

6. Calor que escapa para o espaço

4

Desenhofora de escala


2

(Enem) O resultado da conversão direta de energiasolar é uma das várias formas de energia alternativade que se dispõe. O aquecimento solar é obtido deuma placa escura coberta por vidro, pela qual passaum tubo contendo água. A água circula, conformemostra o esquema. São feitas as seguintesafirmações quanto aos materiais utilizados noesquema solar.

Dentre as afirmações anteriores, pode-se dizer que está(ão) correta(s) apenas:a) I. b) I e II. c) II. d) I e III. e) II e III.

I. O reservatório de água quente deve sermetálico para conduzir melhor o calor.

II. A cobertura de vidro tem como função reter melhor o calor, de formasemelhante ao que ocorre em uma estufa.

III. A placa utilizada é escura para absorver melhor a energia radiante doSol, aquecendo a água com maior eficiência.



Qualquer corpo acima de 0 K (Zero Absoluto) irradia ondaseletromagnéticas que constituem a chamada radiação térmica (ouradiação de corpo negro).

11

picof 1 03 10 T, .

11 11 11 121,03.10 1,03.10 (37 273) 1,03.10 310 32 10 pessoa

picof T Hz

11 11 11 121,03.10 1,03.10 (5500 273) 1,03.10 5773 590 10 sol

picof T Hz3

picoT 2 9 10, .

Pessoa: T = 37oC

LEI DE WIEN

infravermelho

verde / visivel

Imagens feitas com câmera que registra o infravermelho ([T] oF).

Sol: T = 5500 oC

Bola “fria” Bola “quente”


3

(Enem 2014) Alguns sistemas de segurança incluem detectores de movimento. Nessessensores, existe uma substância que se polariza na presença de radiação eletromagnéticade certa região de frequência, gerando uma tensão que pode ser amplificada e empregadapara efeito de controle. Quando uma pessoa se aproxima do sistema, a radiação emitidapor seu corpo é detectada por esse tipo de sensor.

WENDLING, M. Sensores. Disponível em: www2.feg.unesp.br.Acesso em: 7 maio 2014 (adaptado).

A radiação captada por esse detector encontra-se na região de frequênciaa) da luz visível.b) do ultravioleta.c) do infravermelho.d) das micro-ondas.e) das ondas longas de rádio.



3

(Enem 2014) Alguns sistemas de segurança incluem detectores de movimento. Nessessensores, existe uma substância que se polariza na presença de radiação eletromagnéticade certa região de frequência, gerando uma tensão que pode ser amplificada e empregadapara efeito de controle. Quando uma pessoa se aproxima do sistema, a radiação emitidapor seu corpo é detectada por esse tipo de sensor.

WENDLING, M. Sensores. Disponível em: www2.feg.unesp.br.Acesso em: 7 maio 2014 (adaptado).

A radiação captada por esse detector encontra-se na região de frequênciaa) da luz visível.b) do ultravioleta.c) do infravermelho.d) das micro-ondas.e) das ondas longas de rádio.

Resolução


A curva da radiação térmica do corpo humano, a 36,5o C, encontra-se na faixa do infravermelho.


4

(Epcar/AFA 2011) Com base nos processos de transmissão de calor, analise as proposiçõesa seguir.


São verdadeiras apenas as proposições:a) I e II. b) I e IV. c) II e III. d) III e IV.

I. A serragem é melhor isolante térmico do que a madeira, da qual foi retirada,porque entre as partículas de madeira da serragem existe ar, que é um isolantetérmico melhor que a madeira.

II. Se a superfície de um lago estiver congelada, a maior temperatura que a camadade água do fundo poderá atingir é 2 °C.

III. O interior de uma estufa de plantas é mais quente que o exterior, porque aenergia solar que atravessa o vidro na forma de raios infravermelhos éparcialmente absorvida pelas plantas e demais corpos presentes e depois emitidapor eles na forma de raios ultravioletas que não atravessam o vidro, aquecendoassim o interior da estufa.

IV. Durante o dia, sob as túnicas claras que refletem boa parte da energia do sol, osbeduínos no deserto usam roupa de lã, para minimizar as trocas de calor com oambiente.


5

(UFSCar) Um grupo de amigos compra barras de gelo para um churrasco, num dia de calor.Como as barras chegam com algumas horas de antecedência, alguém sugere que sejamenvolvidas num grosso cobertor para evitar que derretam demais. Essa sugestãoa) é absurda, porque o cobertor vai aquecer o gelo, derretendo-o ainda mais depressa.b) é absurda, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo, fazendocom que ele derreta ainda mais depressa.c) é inócua, pois o cobertor não fornece nem absorve calor ao gelo, não alterando arapidez com que o gelo derrete.d) faz sentido, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo,retardando o seu derretimento.e) faz sentido, porque o cobertor dificulta a troca de calor entre o ambiente e o gelo,retardando o seu derretimento.



5

(UFSCar) Um grupo de amigos compra barras de gelo para um churrasco, num dia de calor.Como as barras chegam com algumas horas de antecedência, alguém sugere que sejamenvolvidas num grosso cobertor para evitar que derretam demais. Essa sugestãoa) é absurda, porque o cobertor vai aquecer o gelo, derretendo-o ainda mais depressa.b) é absurda, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo, fazendocom que ele derreta ainda mais depressa.c) é inócua, pois o cobertor não fornece nem absorve calor ao gelo, não alterando arapidez com que o gelo derrete.d) faz sentido, porque o cobertor facilita a troca de calor entre o ambiente e o gelo,retardando o seu derretimento.e) faz sentido, porque o cobertor dificulta a troca de calor entre o ambiente e o gelo,retardando o seu derretimento.

Resolução


•O cobertor é feito de um material isolante (coeficiente de condutibilidade térmica kpequeno) para minimizar trocas de calor por condução.•Em geral o cobertor é espesso, o que diminui ainda mais o fluxo de calor através dele.

CONCLUSÃO: O gelo, envolto em cobertor, fica termicamente isolado do meio, recebendomenor quantidade de calor por unidade de tempo, conservando-se sólido por mais tempo.


6

(UFMG) Em uma experiência, colocam-se gelo e água em umtubo de ensaio, sendo o gelo mantido no fundo por uma telade metal. O tubo de ensaio é aquecido conforme a figura.Embora a água ferva, o gelo não se funde imediatamente. Asafirmações que seguem referem-se a esta situação.


a) Apenas I é correta.b) Apenas II é correta.c) Apenas III é correta.d) Todas são corretas.e) Nenhuma é correta.

I. Um dos fatores que contribuem para que o gelonão se funda é que a água quente é menos densaque a água fria.

II. Um dos fatores que concorrem para a situação observada é que o vidroé bom isolante térmico.

III. Um dos fatores que concorrem para que o gelo não se funda é que a água é bom isolante térmico.


7

(PUC-SP) Calor é uma forma de energia que se transfere de um corpo para outro emvirtude de uma diferença de temperatura entre eles. Há três processos de propagação decalor: condução, convecção e irradiação. Em relação à transferência de calor, afirma-seque:


Está correto o que se afirma em:a) I, II e III.b) apenas I e II.c) apenas I e III.d) apenas II e III.e) apenas III.

I. em dias frios, os pássaros costumam eriçar suas penas para acumular ar entreelas. Nesse caso, o ar acumulado constitui-se em um bom isolante térmico,diminuindo a troca de calor, por condução, com o ambiente.

II. correntes de convecção na atmosfera costumam ser aproveitadas por aviõesplanadores e asas-delta para ganharem altura. Tais correntes são originadas pordiferenças de temperatura entre duas regiões quaisquer da Terra.

III. as paredes internas das garrafas térmicas são espelhadas com o objetivo de diminuir a troca de calor por radiação.


8

Uma barra de alumínio de 100 cm decomprimento e área de seção transversal de 10cm² tem uma de suas extremidades em contatotérmico com uma câmera de vapor-d’água emebulição. A outra extremidade está imersa em


uma cuba que contém uma mistura bifásica de gelo fundente. A pressão atmosférica localé normal. Sabendo-se que o coeficiente de condutividade térmica do alumínio vale 0,5cal/s·cm·°C, calcule:a) a intensidade da corrente térmica através da barra, depois de estabelecido o regimepermanente.b) a temperatura em uma seção transversal da barra, situada a 40 cm da extremidade maisquente.


8

Uma barra de alumínio de 100 cm decomprimento e área de seção transversal de 10cm² tem uma de suas extremidades em contatotérmico com uma câmera de vapor-d’água emebulição. A outra extremidade está imersa em


uma cuba que contém uma mistura bifásica de gelo fundente. A pressão atmosférica localé normal. Sabendo-se que o coeficiente de condutividade térmica do alumínio vale 0,5cal/s·cm·°C, calcule:a) a intensidade da corrente térmica através da barra, depois de estabelecido o regimepermanente.b) a temperatura em uma seção transversal da barra, situada a 40 cm da extremidade maisquente.

Resolução

1 2A T T

kd

( ) o

o

cal 10cm 100 0 C0 5

s cm C 100cm

² ( ),

cal5 0

s,a)

1 2A T T

kd

( )b)

10 100 T5 0 0 5

40

( '), , 40 100 T ' oT 60 C'


9Propagação de Calor

(UFG-GO – Adaptada) Uma caixa de isopor em forma de paralelepípedo de dimensões 0,4 m x0,6 m x 0,4 m contém 9 kg de gelo em equilíbrio térmico com água. Esse sistema é fechado emantido em uma sala cuja temperatura ambiente é de 30 °C. Tendo em vista que o gelo écompletamente derretido após um intervalo de 10 horas, calcule:a) o fluxo de calor, em watt, que o conteúdo da caixa de isopor recebe até derreter o gelo;b) a espessura das paredes da caixa de isopor. Utilize o coeficiente de transmissão de calor do isopor 4,0.10-2 W/(m.°C).Dados:• 1 cal = 4,0 J• Cada 1 g de gelo a 0 °C para se fundir em água a 0 °C absorve 80 cal.



Resolução


a) Q

t

m L

t

80 cal9 kg

g

10 h

80 cal9 10 g

g

10 3 6 10 s

³

, ³

4

9 10 8 10 cal

3 6 10 s

³

,

4

4

72 10 cal

3 6 10 s,

72 4 J

3 6 s,

288 J

3 6 s,

J80

s 80 W



Resolução


b) A área total (A) corresponde à soma das áreas das seis faces das caixa:

1 2 3A 2 A 2 A 2 A

1 2 32 A A A( )

2 0 4 0 6 0 4 0 4 0 4 0 6( , , , , , , ) 2 0 24 0 16 0 24( , , , )

1 28 m, ²

1 2A T T

kd

( ) 1 2

A T Td k

( )

2 1 28 30 0d 4 10

80

, ( )

2153 6 10

80

, 21 92 10 m, 1 92 cm,

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