Propagação do calor e aplicações no cotidiano

Calor

Conforme visto anteriormente, calor é energia térmica em movimento devido à diferença de temperatura entre dois corpos.

Essa propagação ocorre sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

A transferência de calor entre os corpos se dá de três formas:

- condução;

- convecção;

- irradiação;

Condução

No processo de condução, a transferência de calor é feita de molécula a molécula sem que elas sejam transportadas.

Por exemplo, vamos considerar uma barra de ferro onde uma das extremidades é colocada diante de uma chama. A energia, então, é transferida de molécula para molécula, ate atingir a outra extremidade, que será aquecida no processo.

Nem toda substância é boa condutora de calor. Veremos a seguir exemplos de bons e maus condutores térmicos.

Condução

Bons condutores de calor: metais (ferro, cobre, prata, alumínio, etc.)

Maus condutores de calor ou isolantes térmicos: vidro, borracha, isopor, lã, algodão, ar, gelo, etc.

Em geral os fluidos (líquidos e gases – substâncias que têm a capacidade de fluir) são maus condutores de calor.

Aplicações no cotidiano

Ao cozinhar alimentos, é comum usarmos colheres de metal; no entanto, pelo fato do metal ser bom condutor de calor, não é bom deixar a colher dentro da panela, já que ao pegá-la novamente, há o risco de queimar a mão...

Para não correr o risco, uma colher de madeira é mais apropriada, já que a madeira é um isolante térmico, não aquecendo com tanta facilidade.

Aplicações no cotidiano

As temperaturas baixas são perigosas e podem causar a morte de pessoas e animais. Por isso, um simples agasalho pode salvar vidas. Os agasalhos, que são feitos de materiais que conduzem mal o calor, reduzem consideravelmente a transferência de calor entre o corpo e o ambiente, afastando a sensação de frio (a sensação de frio ocorre quando nosso corpo está transferindo calor rapidamente para o ambiente).

Os beduínos do deserto usam roupas grossas e de lã (isolante térmico) para que seu corpo, durante o dia, mantenha a temperatura interna de 36,5°C e não receba calor do meio exterior que pode chegar a 50°C e, durante a noite quando as temperaturas são muito baixas, impeçam a perda de calor para o meio externo.

Aplicações no cotidiano

Em um dia frio, despertar é um sacrifício para muitas pessoas. Pior ainda é sair da cama, entrar no banheiro e pisar sem chinelo no ladrilho em um dia frio. É natural a pessoa correr para um tapete, por exemplo, com o intuito de não sentir o chão gelado. Mesmo com a sensação de que o ladrilho está frio e o tapete está quente, pode-se afirmar que o ladrilho e o tapete estão na mesma temperatura.

Como o ladrilho é melhor condutor de calor do que o tapete, o calor é transferido rapidamente do corpo (mais quente) para o ladrilho (mais frio) e o corpo sinaliza essa perda de energia com a sensação de frio. Já a transferência de energia entre o corpo e o tapete é lenta, pois este é mau condutor de calor, por isso a ausência da sensação de frio ao pisar nele.

A mesma coisa acontece ao pegar na maçaneta de metal de uma porta de madeira. Temos a impressão de que a maçaneta está gelada e a porta não, mas não é verdade: o metal troca calor mais rapidamente com a nossa mão, nos dando a sensação de que a maçaneta está gelada.

Aplicações no cotidiano

O gelo é um excelente isolante térmico. Os esquimós o utilizam para fazerem suas moradias que se denominam iglus. Dessa forma, o ambiente interno fica mais quente e agradável do que o ambiente externo.

Pela mesma razão, com o auxílio de sacos térmicos de dormir, a experiência nos diversos hotéis de gelo que são erguidos no hemisfério norte pode ser bem agradável.

Convecção

O processo de convecção ocorre somente com líquidos e gases (fluidos). Na convecção, a transferência de calor também se faz de molécula a molécula, mas, ao mesmo tempo, ocorre o deslocamento de matéria devido à diferença entre as densidades das partes quente (menos densa) e fria (mais densa).

Quando á agua é aquecida, por exemplo, as moléculas que estão embaixo recebem calor e a região fica menos densa, e por isso sobe enquanto a região acima, com água mais fria, desce. Assim formam-se as correntes de convecção.

Convecção

Essa convecção em que ocorre o deslocamento de matéria devido à diferença entre as densidades das partes quente e fria é chamada de convecção natural.

E quando alguém mistura café quente com leite frio em um copo e agita o líquido com uma colher? Ou em um dia muito quente, liga o ar-condicionado e o ventilador ao mesmo tempo para maior conforto?

Em ambos os casos, um agente externo contribui para o deslocamento de matéria, acelerando o processo de convecção, que é conhecido como convecção forçada.

Aplicações no cotidiano

Nos refrigeradores, o congelador deve ficar na parte superior, pois o ar frio mais denso (mais pesado) desce e o ar quente menos denso (menos pesado) sobre, originando no interior da geladeira as correntes de convecção.

Pela mesma razão os aparelhos de ar-condicionado devem ser instalados no alto; o ar frio produzido pelo ar-condicionado desce e o ar quente que esta próximo ao chão sobe, formando as correntes de convecção que resfriam mais rápido e uniformemente o ambiente. No caso dos aquecedores, para facilitar o processo, eles devem ficar mais próximos do chão.

Aplicações no cotidiano

Por que morar à beira da praia é tão agradável? Mesmo com uma temperatura de 40°C, o vento sopra do mar para a terra, aliviando a sensação térmica de calor intenso. Mas como se formam os ventos nessas regiões?

Durante o dia, a terra se aquece mais rapidamente que a água do mar. Assim, o ar próximo a terra torna-se mais aquecido e move-se para cima. Por causa disso, o ar mais frio, situado sobre o mar, se desloca em direção à costa, isto é, sopra um vento do mar para a terra (brisa marítima).

Durante a noite, a terra se resfria mais rapidamente que a água e os processos se invertem (brisa terrestre).

Aplicações no cotidiano

A inversão térmica é um fenômeno capaz de confinar grandes quantidades de poluentes em uma estreita camada da atmosfera (chamada de smog).

Com isso, a convecção natural que ocorre na atmosfera (ar frio desce e ar quente sobe) fica prejudicada por essa camada. Consequentemente, a temperatura do local aumenta.

Em 1° de setembro de 2007, a cidade de São Paulo enfrentou uma inversão térmica que se estabilizou a 58 metros de altura, provocando uma das piores condições para dispersão dos poluentes da história da cidade.

O fenômeno é mais comum após a passagem de uma frente fria quando o tempo se abre e uma massa de ar fria e seca, de ventos fracos, recobre uma região que recebeu as chuvas recentes.

Irradiação

Na irradiação, a transferência de calor é feita de um corpo para outro por meio de ondas eletromagnéticas de energia. A energia térmica de um corpo é transformada em energia radiante que se propaga pelo espaço e são novamente transformadas em calor quando absorvidas pelo corpo sobre a qual incidem.

Ao contrário do fenômeno de condução e convecção, na irradiação não é necessário um meio material para que o calor se propague. Um exemplo clássico dessa afirmativa são as ondas de calor do Sol que atravessam o vácuo e atingem os planetas do Sistema Solar.

Todos os corpos (inclusive o corpo humano) irradiam calor. Na temperatura ambiente, as ondas de calor estão na faixa do infravermelho, que não é vista pelo olho humano.

Aplicações no cotidiano

O efeito estufa é responsável pelo planeta Terra não esfriar demasiadamente e pela existência de vida ser possível.

A atmosfera terrestre é transparente, em parte, a energia solar que se propaga por radiação. Uma quantidade dessa energia é absorvida e aquece a Terra. A outra é refletida pela Terra, sendo que parte é retida por certos gases presentes na atmosfera (dióxido de carbono, óxido nitroso, metano e clorofluorcarboneto - CFC).

Porém, o aumento na emissão de gases poluentes na atmosfera pelos carros e indústrias, pelo desmatamento e queimadas, impede que essa radiação se dissipe e, consequentemente, a temperatura do planeta aumente, provocando o aquecimento global e o aumento na temperatura do planeta no último século.

as setas amarelas representam os raios solares passando pela atmosfera terrestre. As setas vermelhas representam parte da radiação que e refletida pela Terra e depois pela própria atmosfera para aquecer o planeta.

Aplicações no cotidiano

A garrafa térmica, comumente utilizada pra manter café ou qualquer outro líquido à temperatura constante, é um recipiente que evita as transmissões de calor, de dentro para fora ou de fora para dentro, seja por condução, por convecção ou por irradiação.

Ela consiste em duas paredes de vidro separadas por vácuo, a fim de se evitar entre elas condução e convecção.

A tampa impede o contato com o ar externo, evitando troca de calor por convecção. É geralmente feita de material isolante, para também evitar a condução de calor.

As paredes espelhadas evitam a troca de calor por irradiação, já que refletem boa parte da energia irradiada.