Mecanismos de transferência de calor no solo

Sempre que existe um gradiente de temperatura dentro de um meio ou entre dois corpos que estejam em contacto, ocorre transferência de calor, que se processa segundo o sentido das temperaturas decrescentes, ou seja, da região de temperatura mais elevada para a região de temperatura mais baixa. De acordo com McCorry & Jones (2011), a quantidade de calor que é transferida depende do gradiente de temperatura existente entre as regiões consideradas, e das propriedades do meio que as separam.

A transferência de calor no subsolo pode ocorrer por diversos mecanismos, sendo que a transmissão por condução é geralmente o processo mais dominante neste meio. A convecção também desempenha um papel importante em solos permeáveis, dado a movimentação dos fluidos só ser considerável em solos que exibem um reduzido grau de saturação. Embora a transferência de calor por radiação também se verificar neste meio, é amplamente relatado na literatura a sua insignificante contribuição, quando comparada aos mecanismos de transmissão de calor referidos anteriormente (Alrtimi et al., 2016 e McCorry & Jones, 2011). Farouki (1981) acrescenta, ainda, a transferência de calor associada às mudanças de fase da fração líquida, apesar deste mecanismo desempenhar, também ele, um papel pouco contributivo neste contexto.

Apresentam-se, assim, nas subsecções que se seguem os mecanismos de transmissão de calor que podem de alguma forma ocorrer nos solos.

2.2.1. Transferência de calor por condução

A transferência de calor por condução representa o processo pelo qual o calor num dado meio, ou entre meios diferentes em contacto direto, é transferido pela colisão entre moléculas, sem

que exista movimentos de natureza macroscópica (Rees et al., 2000). Dos mecanismos de

transferência de calor atuantes no subsolo, Lal & Shukla (2004) consideram a transferência por condução como principal, em particular nos solos secos.

Na presença de um gradiente de temperatura dentro de um corpo, as moléculas situadas na região mais quente, ou seja, que abarcam maior conteúdo energético (energia cinética), irão transferir a sua energia translacional, rotacional e de vibração para as moléculas adjacentes que se encontram a uma temperatura inferior, ou seja, com menor conteúdo energético (Lal & Shukla, 2004).

Este mecanismo de transmissão de calor pode ocorrer em todos os constituintes do solo, líquidos, gases e sólidos. Segundo Farouki (1981), a condução de calor nos gases (i.e., ar ou vapor de água) e nos líquidos (água) pode ocorrer de forma semelhante, nomeadamente pela colisão entre moléculas, devido aos seus movimentos aleatórios, e à subsequente transferência de energia cinética entre os mesmos. No entanto, a transferência de calor por condução através do ar é pouco relevante neste meio. Pode-se ainda considerar para a condução, no caso da água, a transferência de energia térmica correspondente à rutura e à formação de ligações oxigénio-hidrogénio, ou seja, referente à organização da estrutura molecular (Rees et al., 2000 e Farouki, 1981).

Nos sólidos, a condução de calor é dada pelas vibrações moleculares. O aumento da temperatura numa dada região de um meio causará o aumento das vibrações das moléculas, que por sua vez, irão transmitir a sua energia cinética fazendo com que as moléculas contíguas sigam o mesmo exemplo, até equilibrar a distribuição da energia cinética molecular interna do meio, isto é, a sua temperatura (Hillel, 1982).

No solo a transmissão de calor por condução pode ser efetuada de diversas formas. O contacto entre as partículas sólidas representa uma possibilidade, consistindo geralmente na transferência da maior parte do calor por condução. Porém, devido às irregularidades das superfícies poderá subsistir uma resistência térmica de contacto. À vista disso, os espaços lacunares do solo poderão representar outro itinerário possível para a transferência de calor por condução (Farouki, 1981).

2.2.2. Transferência de calor por convecção

A transmissão de energia térmica por convecção refere-se ao processo em que o calor é transferido através da movimentação de um líquido ou gás (Rees et al., 2000). Este mecanismo de transferência de calor envolve predominantemente o movimento macroscópico do fluido, ainda que a transmissão de calor por condução, nomeadamente pelo contacto direto de uma

porção de fluido com um dado corpo a diferente temperatura, se encontre também envolvida neste modo de transferência de calor.

De acordo com Farouki (1981) este mecanismo de transferência pode ocorrer de duas formas no solo. A convecção natural representa umas das possibilidades, em que a movimentação do fluido (ar ou água) é resultante de variações da sua massa específica provocadas por diferenças de temperatura. Perante o contacto do fluido com uma superfície de temperatura mais elevada, uma fração deste fluido sofrerá um aumento de temperatura mediante a transferência de calor ocorrida por condução. Em consequência, a massa específica dessa porção diminuirá, tornando-se mais leve que as restantes frações de fluido situadas numa região mais longínquas do corpo (quente), resultando num deslocamento ascendente do fluido. Este fenómeno gerará assim um escoamento, nomeadamente uma corrente de convecção (natural). Este tipo de transmissão de calor é geralmente irrelevante nos solos, para que o seu efeito seja notado os vazios (poros) do solo deverão abarcar mais de 8 mm de comprimento (Russell, 1935 in Farouki, 1981).

A outra possibilidade representa a transferência de calor por convecção forçada. Neste caso, a movimentação do fluido é realizada por ação de agentes externos, nomeadamente diferenças de pressão, em que o fluido (ar ou água) é forçado a mover-se através dos poros existentes no solo, fissuras, entre outros espaços lacunares (Farouki, 1981). Segundo o mesmo autor, um exemplo deste fenómeno representa o fluxo de águas subterrâneas, sendo que na generalidade dos casos, estes encontram-se orientados perpendicularmente à direção do fluxo de calor, funcionando assim como meio de transporte de energia térmica para outras zonas do solo. Johansen (1975) in Farouki (1981), refere que estes efeitos de transferência de calor por convecção forçada podem provocar um aumento em cerca de 20% da condutibilidade térmica dos solos arenosos, sobretudo aqueles que apresentam granulometria muito grossa.

2.2.3. Transferência de calor por radiação

A transferência de calor por radiação difere dos modos de transmissão de energia térmica referenciados anteriormente, no sentido de não necessitar de um meio físico para ocorrer uma permuta de calor entre dois corpos. A energia radiante é, assim, transmitida através de ondas eletromagnéticas (Rees et al., 2000). Este mecanismo de transferência de calor ocorre em todos corpos e estados físicos da matéria, podendo também dar-se no vácuo. Quanto mais elevada for a temperatura do corpo/meio maior será a taxa de transferência de energia radiante, uma vez que se indica proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do corpo, como define a Lei de Stefan-Boltzmann.

No solo, Rees et al. (2000) refere que em norma o contributo da radiação na transferência de calor é negligenciado. Segundo Lopes (2014) as partículas sólidas do solo situadas a baixas profundidades proporcionam, no geral, uma reduzida transferência de energia radiante em detrimento da transmissão de calor por condução e convecção, imperativas neste domínio.

Contudo, Farouki (1981) refere que este mecanismo de transferência de calor pode evidenciar- se revelante para solos granulares secos. À vista disso, Wakao & Kato (1969) in Farouki (1981) aludem que nas partículas sólidas que envolvem um diâmetro de 20 mm, o efeito da radiação pode constituir cerca de 10% da sua transferência de calor global, perante condições de temperatura normais.

2.2.4.

Transferência de calor associada à mudança de fase

Dos mecanismos mencionados nas subsecções anteriores, Farouki (1981), Tidall et al. (1999) e Rees et al. (2000) citam outro processo cuja transferência de calor pode ocorrer no solo, nomeadamente através da mudança de estado do fluido.

Este modo de transmissão de calor pode suceder dos processos de vaporização, condensação, solidificação e fusão (Farouki, 1981 e Tidall et al., 1999). Segundo Tidall et al. (1999) para cada um desses fenómenos ocorrer é necessário que o solo circundante forneça ou absorva calor ao fluido, sendo que a quantidade de energia térmica necessária para realizar essa transição de fase, denomina-se por calor latente.

Relativamente aos processos de evaporação e condensação, Farouki (1981) refere que o aumento da temperatura em solos secos pode provocar, em determinadas regiões, a evaporação do pouco conteúdo de água nele existente. Como consequência desse facto, a pressão de vapor nesta região sofrerá um aumento, sendo que o vapor de água irá deslocar-se pelos espaços lacunares do solo para regiões de baixa pressão de vapor, onde irá arrefecer. Caso o vapor de água condense, será assim libertada uma quantidade de calor fruto da mudança de fase. De forma análoga se sucede no processo de evaporação da água, sendo que neste caso ocorre uma absorção de energia térmica. Nos processos de solidificação e fusão, referente a solos submetidos a temperaturas muito baixas, ocorre de igual forma uma transferência de calor durante as transições de fase do fluido, nomeadamente ocorrendo a libertação de energia térmica no processo de solidificação e absorção durante a fusão.

Em suma, encontram-se exemplificados na figura 2.3 alguns dos mecanismos de transferência de calor ocorrentes no solo citados anteriormente.

Figura 2.3 - Mecanismos de transferência de calor nos solos. Adaptado de Johansen (1975) in Alrtimi et al. (2016).