Física – Termologia Transmissão de calor

Convecção de calor.

É a transmissão de calor que ocorre nos fluidos (líquidos e gases). Um fluido costuma aquecer-se de baixo para cima, até atingir o equilíbrio térmico. As moléculas ao absorverem calor, dilatam-se e se tornam menos densas. Em consequência, o fenômeno do empuxo se encarrega de fazer com que se inicie um movimento ascendente de moléculas aquecidas, enquanto as menos quentem descem, formando verdadeiras correntes de convecção. Isso pode ser observado em um recipiente com água posto sobre uma fonte de calor. Para melhor visualizar o fenômeno é conveniente misturar ao líquido partículas finas e leves. O movimento ascendente das moléculas quentes e descendente das mais frias arrasta as partículas que são mais facilmente observadas.

Figura meramente ilustrativa. As moléculas aquecidas sobem e durante esse movimento entram em contato com outras que estão mais frias e lhes transmitem parte de sua energia. Já as moléculas mais frias descem indo ocupar o espaço deixado pelas que sobem. Isso estabelece o que chamamos correntes de convecção e não ocorrem de modo muito ordenado.

Notamos esse fenômeno com bastante clareza nas proximidades de grandes extensões de superfícies líquidas, como lagos, mares e oceanos. A intensidade dos raios solares é uniforme, mas o solo e areia tem menor calor específico e absorvem mais calor do que a água. Assim sua temperatura sobe mais rapidamente, aquecendo as moléculas de ar que estão próximas. Essas moléculas de ar aquecido, ficam menos densas e sofrem elevação. Em consequência disso, o ar em contato com a água, estando mais frio, desloca-se para ocupar esse espaço, formando o que chamamos brisa marítima. Isso ocorre durante o dia. Depois do por do sol, inicia-se o processo inverso. A água que demorou mais para aquecer, demora mais para esfriar. Agora as moléculas de ar mais quente estão sobre a água e se elevam, indo as moléculas mais frias da terra para o mar. Brisa terrestre, sopra da terra para o mar.

Os ventos em geral são consequência de diferenças de temperatura das camadas de ar. Os ventos fortes das tempestades, os ciclones, furacões e qualquer movimentação das camadas atmosféricas são sempre consequência de variações térmicas de maior ou menor intensidade. As chamadas “frentes frias” nada mais são do que uma gradual propagação do ar mais frio, vindo das regiões polares, para ocupar o espaço deixado pelo ar mais quente nas regiões tropicais e equatoriais.

É interessante observar também o funcionamento das chaminés de diferentes fábricas, onde o processo de aquecimento de materiais é empregado. Mesmo que não seja usado fogo propriamente, que gera fumaça, os materiais aquecidos costumam desprender vapores e aquecer o ar ao seu redor. Esse ar aquecido pode ser canalizado por convecção para uma chaminé, retirando-o do ambiente.

É muito importante ter cuidados especiais com as dimensões das chaminés. Se elas forem muito estreitas, podem ser insuficientes para dar vazão ao fluxo de ar e vapores quentes. Isso irá fazer com que se espalhem no ambiente. Se forem excessivamente largas, o calor pode dissipar-se antes de atingir o ponto de saída, fazendo com que os gases e ar contaminados não sejam levados para cima.

Na instalação de equipamentos de acondicionamento de ar em ambientes, visando uma climatização equilibrada, deve-se lembrar da convecção. Em geral o aparelho lança no ambiente ar mais frio e dele retira por exaustão o ar mais quente. Se a instalação for feita na posição inadequada, há o risco de ficar uma camada de ar fria nas proximidades do chão e o ar próximo ao teto estar mais quente. Por isso é conveniente a instalação desses aparelhos nas proximidades do teto. Assim o ar frio irá descer por convecção e forçará o ar mais quente a subir, sendo por sua vez retirado do ambiente ou passando pelo resfriamento. Isso traz como resultado um ambiente mais ameno.

Você já deve ter observado a existência de umas formas semelhantes a uma bola, mas com aletas existentes no alto de grandes ambientes de trabalho e que giram. Seu funcionamento está associado com a saída de ar mais quente do ambiente, sendo necessário haver entradas nas proximidades do chão. Esse processo pode ser natural ou forçado. É forçado quando se emprega motores que acionam hélices para intensificar o processo de renovação do ar no ambiente.

Irradiação

Qualquer corpo cuja temperatura esteja acima de $0 K$ emite, em maior ou menor intensidade, determinados tipos de ondas que denominamos irradiação. As ondas ordinariamente denominadas ondas de calor são as da faixa do infravermelho. No entanto, qualquer onda emitida, quando absorvida por uma superfície, é convertida, ao menos parcialmente em energia térmica.

Vejamos o exemplo do Sol em nosso sistema planetário. Seus raios (ondas) atingem a superfície, nossa pele e a sensação que temos é que de está nos aquecendo, podendo inclusive provocar queimaduras. Não podemos esquecer a distância que nos separa do Sol. São aproximadamente 150 milhões de quilômetros. Podemos fazer ideia da intensidade de radiação emitida pela superfície do astro. Um caso típico é o das ondas ultravioletas. Não as vemos, mas produzem queimaduras profundas, se ficarmos expostos à sua ação por tempo prolongado. Mesmo em dias nublados, quando o Sol não está visível, seus ultravioletas passam pela camada de nuvens e podem produzir queimaduras. Isso ocorre quando a camada de nuvens não é muito espessa para bloquear a chegada das ultravioletas e mesmo infravermelhas até nós.

Um exemplo mais comum e que podemos vivenciar facilmente. Acendamos uma fogueira, ou o fogo em uma churrasqueira. Quanto mais nos aproximamos, mesmo sem tocar em nada, mais sentimos a intensidade de calor que nos chega por irradiação. É a única maneira que existe de transmitir energia térmica de um lugar para outro através do vácuo, isto é, o espaço vazio. A energia enviada por irradiação independe da presença de matéria. Ao contrário, quanto mais rarefeito é o meio (ar por exemplo), melhor o calor se propaga por irradiação.

Não é nem necessário haver fogo ou incandescência. Se nos aproximarmos de um sistema material, cuja temperatura seja bastante elevada, não importa a cor que ele tenha. Sentiremos o calor irradiado. Evidentemente que a intensidade da irradiação depende da cor, temperatura e mesmo natureza do material. Os corpos de cor mais escura, habitualmente absorvem melhor a radiação, assim como também emitem mais energia por radiação.

Há o que denominamos “Corpo Negro”, um conceito idealizado como um corpo capaz de absorver todas as radiações que sobre ele incidem, sem refletir ou refratar. O que mais se aproxima desse ideal, é o que chamamos ‘picumã’ ou ‘negro de fumo’, encontrado no interior das chaminés, onde se depositam partículas transportadas pela fumaça que por ali sobe. Os demais corpos ficam sempre num nível abaixo em sua capacidade de absorção.

Exercícios

01. (UFES) – O uso de chaminés para escape de gases quentes provenientes de combustão é uma aplicação do processo térmico de: ( )a) convecção; ( )b) condução; ( )c) absorção; ( )d) radiação; ( )e) b e c estão corretas.

02. (UFES) – Uma pessoa anda descalça no interior de uma casa onde as paredes, o piso e o ar estão em equilíbrio térmico. A pessoa sente o piso do ladrilho mais frio que o piso de madeira, devido:

( )a) efeitos psicológicos; ( )b) à diferença entre os calores específicos do ladrilho e da madeira; ( )c) a diferentes propriedades de condução de calor do ladrilho e da madeira; ( )d) à irradiação de calor pelos pés; ( )e) n.d.a.

03. (FCMSC-SP) – Os iglus, embora feitos de gelo, possibilitam aos esqimós neles residirem porque: ( )a) o calor específico do gelo é maior do que o da água; ( )b) o calor específico do gelo é extraordinariamente pequeno, comparado ao da água; ( )c) a capacidade térmica do gelo é muito grande; ( )d) o calor específico do gelo é menor do que o da água; ( )e) o gelo não é bom condutor de calor.

04. (UFRN) – Em qual dos meios o calor se propaga por convecção:

( )a) água; ( )b) madeira; ( )c) vidro; ( )d) metal; ( )e) água e gases.

05.(UFRS) – No interior de uma geladeira, a temperatura é aproximadamente a mesma em todos os pontos graças à circulação de ar. O processo de transferência de energia causado por essa circulação de ar é denominado: ( )a) radiação; ( )b) convecção; ( )c) compressão; ( )d) condução; ( )e) n.d.a.

06. (PUC-RS) – No inverno, usamos roupas de lã baseados no fato de que ela: ( )a) é uma fonte de calor; ( )b) é um bom absorvente de calor; ( )c) é um bom condutor de calor; ( )d) impedir que o calor do corpo se propague para o meio exterior; ( )e) n.d.a.

07. (UnB-DF) – Quando passamos roupa com um ferro elétrico, o principal processo de transmissão de calor do ferro para a roupa é a: ( )a) convecção; ( )b) radiação; ( )c) reflexão; ( )d) compressão; ( )e) condução.

08. (Ceub-DF) – No inverno usamos agasalhos porque eles: ( )a) mantém o frio fora do corpo; ( )b) reduzem a perda de calor pelo corpo; ( )c)fornecem calor ao corpo; ( )d) reduzem a transpiração; ( )e) n.d.a.

09. (U. Sâo Leopoldo-RS) – Profissionais da área de saúde recomendam o uso de roupas claras para a prática de exercícios físicos, como caminhar ou correr, principalmente no verão. As roupas claras em relação às escuras: ( )a) absorvem mais radiação térmica; ( )b) refletem menos a radiação térmica; ( )c) absorvem menos a radiação; ( )d) impedem mais a formação de correntes de convecção; ( )e) n.d.a.

10. Uma pessoa agachada perto de uma fogueira de festa junina é aquecida principalmente por: ( )a) condução; ( )b)convecção; ( )c) condução e irradiação; ( )d) irradiação; ( )e) n.d.a.

11. (UFGO 88) – O sentido de transmissão de calor entre dois corpos depende; ( )a) de seus estados físicos; ( )b) de suas quantidades de calor; ( )c) de suas temperaturas; ( )d) de suas densidades; ( )e) de seus calores específicos.

12. (UFES 88) – Um ventilador de teto, fixado acima de uma lâmpada incandescente, apesar de desligado, gira lentamente algum tempo após a lâmpada estar acesa. Esse fenômeno é divido à: ( )a) condução de calor; ( )b) convecção de ar aquecido; ( )c)irradiação da luz e do calor; ( )d) reflexão da luz; ( )e) polarização da luz.

13. (PUCC-SP 88) – Uma garrafa térmica é espelhada internamente e isolada de suas paredes externas para impedir que o calor se propague, respectivamente por: ( )a) irradiação e condução; ( )b) condução e irradiação; ( )c) condução e convecção; ( )d) irradiação e convecção; ( )e) convecção e condução.

14. (UFES 88) – Para resfriar um líquido, é comum colocar a vasilha que o contém dentro de um recipiente com gelo. Para que o resfriamento seja mais rápido, é conveniente que a vasilha seja metálica, em vez de ser de vidro, porque o metal apresenta, em relação ao vidro, um maior valor de:( )a) calor específico; ( )b) condutividade térmica; ( )c) coeficiente de dilatação térmica; ( )d) energia interna; ( )e) calor latente de fusão.

15. (PUCC-SP 87) – Em qual dos casos a seguir a propagação de calor se dá principalmente por condução? ( )a) água quente que sai do chuveiro; ( )b) a fumaça que sobe pela chaminé; ( )c) o cigarro acendido com uma lente que concentra os raios solares; ( )d) a xícara que se aquece com o café quente; ( )e) água aquecida numa panela colocada sobre a chama do fogão.

16. (PUC-MG 86) – O funcionamento de um aparelho de ar condicionado, como se sabe, não altera sensivelmente a temperatura do ambiente em relação ao exterior. A sensação de frio sentida, devida ao ar refrigerado, deve-se fundamentalmente a: ( )a) alteração da densidade do ar; ( )b) diminuição da umidade do ar; ( )c)diminuição da transpiração do corpo animal; ( )d) pequena diminuição da temperatura provocada; ( )e) correntes de convecção provocadas.

17. Quando o calor se propaga num sólido, temos: ( )a) aumento da vibração das moléculas por condução; ( )b) um aumento de moléculas do corpo; ( )c) uma movimentação das moléculas do corpo; ( )d) aumento de calor no corpo; ( )e) n.d.a.

18. Para esfriarmos um barril de chope, devemos colocar gelo: ( )a) nenhuma das alternativas a seguir; ( )b) na parte de baixo do barril; ( )c) no meio; ( )d) mergulhá-lo totalmente no gelo; ( )e) na parte de cima do barril.

19. (UFAL 85) – Selecione a alternativa que supre as omissões das afirmações seguintes:

I – O calor do Sol chega até nós por _________________________. II – Uma moeda bem polida fica _____________ quente do que uma moeda revestida de tinta preta, quando ambas são expostas ao sol. III – Numa barra metálica aquecida numa extremidade, a propagação do calor se dá para a outra extremidade por ____________________. ( )a) radiação – menos – convecção; ( )b) convecção – mais – radiação; ( )c) radiação – menos – condução; ( )d) convecção – mais – condução; ( )e) condução – mais – radiação.

20. Sabe-se que a temperatura do café se mantém razoavelmente constante no interior de uma garrafa térmica perfeitamente vedada. a) Qual o principal fator responsável por esse bom isolamento térmico? b) O que acontece com a temperatura do café se a garrafa térmica for agitada vigorosamente? Explique sua resposta.

21. (UNISA-SP) – Uma panela com água está sendo aquecida num fogão. O calor das chamas se transmite através da parede do fundo da panela para a água que está em contato com essa parede e daí para o restante da água. Na ordem desta descrição, o calor se transmitiu predominantemente por: ( )a) radiação e convecção; ( )b) radiação e condução; ( )c) convecção e radiação; ( )d) condução e convecção; ( )e) condução e radiação.

22. (UNIFENAS) – A transmissão de calor por convecção só é possível:

( )a) no vácuo; ( )b) nos sólidos; ( )c) nos líquidos; ( )d) nos gases; ( )e) nos fluidos em geral.

23. Assinale a alternativa correta: ( )a) A condução e a convecção térmica só ocorrem no vácuo; ( )b) No vácuo, a única forma de transmissão do calor é por condução; ( )c) A convecção térmica só ocorre nos fluidos, ou seja, não se verifica no vácuo nem em materiais no estado sólido; ( )d) A radiação é um processo de transmissão do calor que só se verifica nos meios sólidos; ( )e) A condução térmica só ocorre no vácuo; no entanto a convecção térmica verifica-se inclusive no estado sólido.

24. (FAPIPAR – PR) – Uma carteira escolar é construída com partes de ferro e partes de madeira. Quando você toca a parte de madeira com a mão direita e a parte de ferro com a mão esquerda, embora todo conjunto esteja em equilíbrio térmico: ( )a) a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque o ferro conduz melhor o calor; ( )b) a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a convecção na madeira é mais notada que no ferro; ( )c) a mão direita sente mais frio que a esquerda, porque a convecção no ferro é mais notada que na madeira; ( )d) a mão direita sente menos frio que a esquerda, porque o ferro conduz melhor o calor; ( )e) a mão direita sente mais frio que a esquerda porque condução de calor no ferro é mais intensa e o calor específico maior;

25. (MACKENZIE) – Uma parede de tijolos e uma janela de vidro de espessura 180 mm e 2,5 mm, respectivamente, tem suas faces sujeitas à mesma diferença de temperatura. Sendo as condutibilidades térmicas do tijolo e do vidro iguais a $c_{t} = 0,12 J/msK$ e $c_{v} = 1,00 J/msK$ (unidades no SI) respectivamente. Então a razão entre o fluxo de calor conduzido por unidade de superfície pelo vidro e pelo tijolo é: ( )a) 200; ( )b) 300; ( )c) 500; ( )d ) 600; ( )e) 800.

Respostas: 01) a; 02) c; 03) e; 04) e; 05) b; 06) d; 07) e: 08) b; 09) c; 10) d; 11) c; 12) b; 13) a; 14) b; 15) d ou e?; 16) e) 17) a; 18) e; 19) c; 20) a) pouco calor transmitido para o exterior por todas as formas; b) a energia mecânica é convertida em térmica e provoca elevação de temperatura do café.

21)d; 22) e; 23) c; 24) b; 25) d.

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Curitiba, 04 de dezembro de 2019

Décio Adams

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