Transmissão de Calor

Transmissão de Calor

Transmissão de Energia Térmica

 Os mecanismos fundamentais de transferência de calor são:

 Condução

 Convecção

 Irradiação

Condução Térmica

 É o processo de transferência de energia, através de um material, pela troca de energia entre partículas adjacentes, isto é, quando moléculas ou átomos que estão a uma temperatura mais elevada transferem parte de sua energia para as moléculas ou átomos vizinhos que estão com energia mais baixa.

Na figura ao lado podemos verificar a condução do calor através de uma barra de metal. Aderindo pequenas bolotas de cera ao longo da barra e aquecendo apenas uma extremidade, observaremos a queda sucessiva delas, a medida que o calor se espalha ao longo da barra.

Convecção Térmica

Transmissão de calor em que a energia térmica é propagada mediante o transporte de matéria, havendo portanto, deslocamento de partículas.

Convecção Térmica

Irradiação Térmica

Diferentemente dos dois processos de propagação de calor estudados nos segmentos anteriores_condução e

convecção_ a IRRADIAÇÃO TÉRMICA não necessita de meio material para transmitir a energia térmica, isto é, a irradiação ocorre também no vácuo. A irradiação é o processo de transferência de calor através de ondas eletromagnéticas, chamadas ondas de calor ou calor radiante.

Propagação do calor

A tartaruga

recebe calor do sol por irradiação e, da areia, por condução.

O ar ao seu redor se aquece por

convecção.

Irradiação Térmica ^ Efeito estufa é o nome dado à retenção de calor na Terra

causada pela concentração de gases de diversos tipos. A

intensificação desse fenômeno ocorre com a emissão de

alguns poluentes e é

responsável pelo aumento da temperatura média do planeta, o que pode causar sérios

problemas ambientais.

 Os gases estufa (que impedem a dispersão dos raios solares) de maior concentração na Terra são o dióxido de carbono

(CO2), o metano (CH4), o óxido nitroso (N2O) e compostos de clorofluorcarbono (CFC). A

maioria deles é proveniente da queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e derivados), florestas e pastagens.

Aplicação: Garrafa Térmica

 Condução - evitada pelo vácuo entre as paredes duplas e pela tampa isolante.

 Irradiação - evitada pelas paredes

espelhadas que

refletem as radiações, tanto de dentro para fora como vice-versa.

 Convecção - evitada pelo vácuo entre as paredes duplas.

1) (UN. MACKENZIE) Dos processos a seguir, o

único onde praticamente todo o calor se propaga por condução é quando ele se transfere:

a) Do Sol para a Terra.

b) Da chama de um gás para a superfície livre de um líquido contido num bule que está sobre ela.

c) Do fundo de um copo de água para um cubo de gelo que nela flutua.

d) De uma lâmpada acesa para o ar que a cerca.

e) De um soldador para o metal que está sendo soldado.

1) (UN. MACKENZIE) Dos processos a seguir, o único onde praticamente todo o calor se propaga

por condução é quando ele se transfere:

a) Do Sol para a Terra.

b) Da chama de um gás para a superfície livre de um líquido contido num bule que está sobre ela.

c) Do fundo de um copo de água para um cubo de gelo que nela flutua.

d) De uma lâmpada acesa para o ar que a cerca

e) De um soldador para o metal que está sendo soldado.

2) (UFMG) A irradiação é o único processo de transferência de energia térmica no caso:

a) Da chama do fogão para a panela.

b) Do Sol para um satélite de Júpiter.

c) Do ferro de soldar para a solda.

d) Da água para um cubo de gelo flutuando nela.

e) De um mamífero para o meio ambiente.

2) (UFMG) A irradiação é o único processo de transferência de energia térmica no caso:

a) Da chama do fogão para a panela.

b) Do Sol para um satélite de Júpiter.

c) Do ferro de soldar para a solda.

d) Da água para um cubo de gelo flutuando nela.

e) De um mamífero para o meio ambiente.

3) (FGV-SP) Quando há diferença de temperatura entre dois pontos, o calor pode fluir entre eles por condução, convecção ou radiação, do ponto de temperatura mais alta ao de

temperatura mais baixa. O "transporte" de calor se dá juntamente com o transporte de massa no caso da:

a) condução somente

b) convecção somente

c) radiação e convecção d) Irradiação somente e) condução e irradiação

3) (FGV-SP) Quando há diferença de temperatura entre dois pontos, o calor pode fluir entre eles por condução, convecção ou radiação, do ponto de temperatura mais alta ao de

temperatura mais baixa. O "transporte" de calor se dá juntamente com o transporte de massa no caso da:

a) condução somente

b) convecção somente

c) radiação e convecção d) Irradiação somente e) condução e irradiação

4) (ITA) Uma garrafa térmica, devido às paredes espelhadas, impede trocas de calor por:

a) condução.

b) irradiação.

c) convecção.

d) reflexão

4) (ITA) Uma garrafa térmica, devido às paredes espelhadas, impede trocas de calor por:

a) condução.

b) irradiação.

c) convecção.

d) reflexão

5) (UN. MACKENZIE) Assinale a alternativa correta:

a) A condução e a convecção térmica só ocorrem no vácuo.

b) A radiação é um processo de transmissão de calor que só se verifica em meios materiais.

c) A condução térmica só ocorre no vácuo, no

entanto a convecção térmica se verifica inclusive em materiais no estado sólido.

d) No vácuo a única forma de transmissão de calor é por condução.

e) A convecção térmica só ocorre nos fluídos, ou seja, não se verifica no vácuo e tão pouco em

materiais no estado sólido.

5) (UN. MACKENZIE) Assinale a alternativa correta:

a) A condução e a convecção térmica só ocorrem no vácuo.

b) A radiação é um processo de transmissão de calor que só se verifica em meios materiais.

c) A condução térmica só ocorre no vácuo, no

entanto a convecção térmica se verifica inclusive em materiais no estado sólido.

d) No vácuo a única forma de transmissão de calor é por condução.

e) A convecção térmica só ocorre nos fluídos, ou seja, não se verifica no vácuo e tão pouco em

materiais no estado sólido.

6) (ITA) Uma garrafa térmica

impede, devido ao vácuo entre as paredes duplas, trocas de calor por:

a) condução apenas.

b) convecção

apenas.

c) convecção e condução.

d) irradiação apenas.

6) (ITA) Uma garrafa térmica

impede, devido ao vácuo entre as paredes duplas, trocas de calor por:

a) condução apenas.

b) convecção

apenas.

c) convecção e condução.

d) irradiação apenas.

7) (U.F.Ouro Preto-MG) Durante as noites de inverno usamos um cobertor de lã a fim de proteger-nos do frio. Fisicamente é correto afirmar que:

a) a lã retira calor do meio ambiente, fornecendo-o ao nosso corpo.

b) a lã possui um baixo coeficiente de condutividade térmica, diminuindo, portanto o fluxo de calor para o ambiente.

c) a lã possui um alto coeficiente de condutividade térmica, diminuindo, portanto o fluxo de calor para o ambiente.

d) a lã possui um baixo coeficiente de condutividade térmica, aumentando, portanto o fluxo de calor para o ambiente.

e) a lã possui um alto coeficiente de condutividade térmica, aumentando, portanto o fluxo de calor para o ambiente.  

7) (U.F.Ouro Preto-MG) Durante as noites de inverno usamos um cobertor de lã a fim de proteger-nos do frio. Fisicamente é

correto afirmar que:

a) a lã retira calor do meio ambiente, fornecendo-o ao nosso corpo.

b) a lã possui um baixo coeficiente de condutividade térmica, diminuindo, portanto o fluxo de calor para o ambiente.

c) a lã possui um alto coeficiente de condutividade térmica, diminuindo, portanto o fluxo de calor para o ambiente.

d) a lã possui um baixo coeficiente de condutividade térmica, aumentando, portanto o fluxo de calor para o ambiente.

e) a lã possui um alto coeficiente de condutividade térmica, aumentando, portanto o fluxo de calor para o ambiente.  

8) (FOC-SP) Quando se aquece a

extremidade de uma barra de ferro, o

calor se propaga para toda a barra. Neste caso o calor se propaga, principalmente, por:

a) condução.

b) diluição.

c) indução.

d) convecção.

e) irradiação.

8) (FOC-SP) Quando se aquece a

extremidade de uma barra de ferro, o

calor se propaga para toda a barra. Neste caso o calor se propaga, principalmente, por:

a) condução.

b) diluição.

c) indução.

d) convecção.

e) irradiação. 

9) (Cefer-PR) Para melhorar o isolamento térmico de uma sala, deve-se:

a) aumentar a área externa das paredes.

b) utilizar um material de maior coeficiente de condutibilidade térmica.

c) dotar o ambiente de grandes áreas envidraçadas.

d) aumentar a espessura das paredes.

e) pintar as paredes externas de cores escuras.

9) (Cefer-PR) Para melhorar o isolamento térmico de uma sala, deve-se:

a) aumentar a área externa das paredes.

b) utilizar um material de maior coeficiente de condutibilidade térmica.

c) dotar o ambiente de grandes áreas envidraçadas.

d) aumentar a espessura das paredes.

e) pintar as paredes externas de cores escuras.

10)(U.F. Santa Maria-RS) Ao encostar a mão em um metal e, logo após, em um pedaço de madeira, estando os dois últimos à

temperatura ambiente, tem-se a sensação que o metal está mais frio. Isso ocorre porque

________________ da madeira é _______________do metal.

a) o calor específico, maior do que o.

b) a capacidade térmica, maior do que a.

c) a capacidade térmica, menor do que a.

d) a condutibilidade térmica, maior do que a.

e) a condutibilidade térmica, menor do que a.

10)(U.F. Santa Maria-RS) Ao encostar a mão em um metal e, logo após, em um pedaço de madeira, estando os dois últimos à

temperatura ambiente, tem-se a sensação que o metal está mais frio. Isso ocorre porque

________________ da madeira é _______________do metal.

a) o calor específico, maior do que o.

b) a capacidade térmica, maior do que a.

c) a capacidade térmica, menor do que a.

d) a condutibilidade térmica, maior do que a.

e) a condutibilidade térmica, menor do que a.

11) (UNEB-BA) Quando uma pessoa pega na geladeira uma garrafa de cerveja e uma lata de refrigerante à mesma temperatura, tem

sensações térmicas diferentes, porque, para a garrafa e a lata, são diferentes:

a) os coeficientes de condutibilidade térmica.

b) os coeficientes de dilatação térmica.

c) os volumes.

d) as massas.

e) as formas geométricas.

11) (UNEB-BA) Quando uma pessoa pega na geladeira uma garrafa de cerveja e uma lata de refrigerante à mesma temperatura, tem

sensações térmicas diferentes, porque, para a garrafa e a lata, são diferentes:

a) os coeficientes de condutibilidade térmica.

b) os coeficientes de dilatação térmica.

c) os volumes.

d) as massas.

e) as formas geométricas.

12) (UFPI) A transferência de calor de um ponto a outro de um meio pode efetuar-se por três

processos diferentes. Sabe-se que, conforme o meio, há um processo único possível ou um

predominante. Assim, no vácuo, num fluido e num sólido a transferência de calor se efetua,

respectivamente, por:

a) convecção, radiação, condução.

b) condução, convecção, radiação.

c) radiação, convecção, condução.

d) condução, radiação, convecção.

e) radiação, condução, convecção.

12) (UFPI) A transferência de calor de um ponto a outro de um meio pode efetuar-se por três

processos diferentes. Sabe-se que, conforme o meio, há um processo único possível ou um

predominante. Assim, no vácuo, num fluido e num sólido a transferência de calor se efetua,

respectivamente, por:

a) convecção, radiação, condução.

b) condução, convecção, radiação.

c) radiação, convecção, condução.

d) condução, radiação, convecção.

e) radiação, condução, convecção.

Dilatação de Sólidos

Fenômeno provocado pela

variação de temperatura, que acarreta mudança na distância entre as “partículas” que

formam o corpo.

Logo suas dimensões sofrem alteração.

Dilatação de Sólidos

Variação de

temperatura

Variação da distância

entre moléculas

Variação das

dimensões do corpo

Dilatação de Sólidos

Dilatação de Sólidos

Na prática só existe dilatação volumétrica de sólidos, a

classificação é feita

dependendo da dimensão mais importante do corpo.

Ex: fio ( comprimento ) chapa ( área ) ....

Dilatação Linear

Sólidos cuja dimensão mais importante

é o comprimento (1 dimensão ) por exemplo em fios,barras, canos, etc.

_i

_f

L_O  L

Dilatação de uma Barra

L^Final

Aquecimento da barra

Dilatação Linear

O Comprimento final da barra pode ser expresso pela relação abaixo :

L_Final =L_O +  L

Variação do Comprimento

 L =L_O . . 

A dilatação linear depende : do tipo de material (  )

do comprimento inicial (L_o)

da variação de temperatura ()

2. Tabela de Coeficientes de Dilatação Linear

Substância 10^-6(^oC^-1) Faixa de temperaturas Quartzo fundido 0,6 Temp. ambiente

Silício 2,6 Temp. ambiente

Carbono e Grafite 3 100 °C-390 °C

Vidro Pyrex 3,2 20 °C-300 °C

Tungstênio 4,5 Temp. ambiente

Cromo 4,9 Temp. ambiente

Cimento(concreto) 6,8 Temp. ambiente Vidro (de janela) 8,6 20 °C-300 °C

Platina 9 100 °C-390 °C

Ouro 14 100 °C-390 °C

Aço 14 540 °C-980 °C

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Exercício

Uma barra apresenta a 10^oC o

comprimento de 90m, sedo feita de um material cujo coeficiente de dilatação linear médio vale 19.10^{-6 o}C^-1. A barra é aquecida até 20^oC. Pede-se:

a) a dilatação ocorrida;

b) o comprimento final da barra.

Exercício

O gráfico mostra como varia o comprimento de uma barra metálica em função da temperatura.

a) Determine o coeficiente de dilatação linear médio do metal, no intervalo considerado;

b) Considerando que não haja variação do coeficiente de dilatação linear para

temperaturas maiores que 40^oC, determine o comprimento da barra a 70^oC.

4. Dilatação Superficial dos Sólidos

45

2 0

0 L

A 



 L² A

 ^{ }  ^

 L₀ L ² A

2 0

2

0 2.L . L L L

A     

4. Dilatação Superficial dos Sólidos

46 2

0

0 L

A 



 L² A

 ^{ }  ^

 L₀ L ² A

2 0

2

0 2.L . L L L

A     









 A 2.L .L . .

A _{0 0 0}









 A 2.A . .

A _{0 0}











 

















 A A . .

2

. 2 . A A

0 0

Dilatação Superficial

Estuda a dilatação em duas dimensões (comprimento e largura).

T A

A  _o 

 ..

A A

A  _o  



  2.

Dilatação Volumétrica

Estuda a dilatação em três dimensões (comprimento, largura e espessura).

T V

V  _o 

 . .

V V

V  _o  



  3.

Dilatação Volumétrica dos líquidos.

Os líquidos sempre estão contidos em recipientes sólidos. Portanto quando são aquecidos ambos se dilatam.

T V

V  _o 

 . .

rec ap

liquido  

 ^{ }

Dilatação Dimensões Grandeza

Final Variação da

Gr. Coeficiente

Linear 1(comp) : c. dilat

linear

Superficial 2(compx larg)

: c.

Superf.

( = 2 )

Volumétrica 3(cmp x largx

alt)

: c.

volum.

( = 3 )

L L

L ₀  A A

A ₀  V V

V  ₀ 







A A₀







L L₀







V V₀

Resumo



Relação dos Coeficientes

3 2

1





  

Final 1ª parte

Dilatação no Cotidiano

Ponte Metálica(Extremidade móvel)

Pontes e calçadas

Curiosidades

Um incêndio na floresta estendeu-se aos dormentes dessa estrada. O calor

produzido pelas chamas fez as moléculas do aço vibrarem tão

violentamente que elas se empurraram umas às outras, com força suficiente para fazer os trilhos expandirem-se até se envergarem.

Os cabos de aço da ponte "Golden

Gate" de São Francisco (E.U.A.) ficam 1,50 metros mais baixos, no meio da ponte, no verão do que no inverno, devido à dilatação.

Dilatação no Cotidiano

Lâmina Bimetálica

Formada pela união de 2 metais diferentes, é um interruptor controlado por temperatura.

3. Aplicação: Lâmina Bimetálica

59

_Latão = 19,0.10^{-6 o}C^-1

_Invar = 1,5.10^{-6 o}C^-1 Sugestão de leituras:

1ª)

Como funciona o pisca-pisca de uma árvore de natal;

2ª) Como

funciona um termômetro com faixa bimetálica (gelade ira);

Utilização Pisca - Pisca

A corrente elétrica esquenta a lâmina.

Com a dilatação, o

circuito é interrompido.

Acender uma lâmpada com um fósforo.

Acender uma lâmpada com um fósforo.

Na geladeira, um bimetal liga e desliga o motor da geladeira

Mantimentos quentes

Motor

ligado

Na geladeira, um bimetal liga e desliga o motor da geladeira

Mantimentos frios

Motor desligado

Ferros e

Aquecedores.

A lâmina é usada para controlar a temperatura.

Dilatação de Líquidos

Num líquido, só existe dilatação volumétrica.

Quando esse líquido estiver contido num recipiente, precisamos

considerar que o dois dilatam juntos.

Dilatação Térmica dos Líquidos

Ao aquecer um líquido, o recipiente também dilata:

O volume de líquido extravasado corresponde à medida da dilatação aparente e não a

dilatação real.

Dilatação de Líquidos

Ocorre dilatação do líquido e do recipiente que o contém.

Variação do Volume :

 VLÍQ =  VREC + VAPAR

Dilatação Térmica dos Líquidos

 A dilatação real do líquido é a soma da dilatação aparente e da dilatação do frasco:

F

Ap V

V

V    



 





 



 















. . V

F .

. V

Ap .

.

V0 0 Ap 0 F

V V

V 





















. V . . V . . .

V_{0 0 Ap 0 F} ^{ V}₀^.

F Ap  







Refazer

esta parte

DILATAÇÃO IRREGULAR DA ÁGUA

0

Temperatura (^oC) Volume (L)

4 8 12 16

1,0000 1,0004 1,0008 1,0012 1,0016

1,0002 1,0006 1,0010 1,0014

4 1,1000

água gelo

VOLUME

Temperatura (^oC) 0

1,0002

Ponto de MÍNIMO VOLUME densidade

A questão estrutural

Água no estado líquido Água no estado sólido

Comportamento anômalo da água

 Como a densidade depende do inverso do volume, a densidade apresenta para a temperatura de 4^oC um ponto de

máximo valor.

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73

V d  m

 

 V

d m

Por que a água dos lagos não congelam?

74

Exemplo

(UFPEL-RS/2005) A água, substância fundamental para a vida no Planeta, apresenta uma grande quantidade de comportamentos anômalos. Suponha que um recipiente, feito com um determinado material hipotético, se encontre completamente cheio de água a 4°C. De acordo com o

gráfico e seus conhecimentos, é correto afirmar que:

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75

a) apenas a diminuição de temperatura fará com que a água transborde.

b) tanto o aumento da temperatura quanto sua diminuição não provocarão o transbordamento da água.

c) qualquer variação de temperatura fará com que a água transborde.

d) a água transbordará apenas para temperaturas negativas.

e) a água não transbordará com um aumento de temperatura, somente se o calor específico da substância

for menor que o da água. Resposta: C

Exemplo

(Unicamp-SP)

a) Na figura 1 pode-se ver como varia o volume V de 1kg de água quando a sua temperatura varia de 0^oC a 10^oC. Esboce o gráfico da densidade da água em função da temperatura nesse

intervalo. ^Instituto Educacional Imaculada

76

Figura 1

Exemplo - continuação

b) Na figura 2 mostram-se dois recipientes A e B preenchidos com iguais massas de água

inicialmente a 4oC. Os recipientes A e B estão isolados termicamente, com exceção da tampa de A e da base de B, que são condutoras e

mantidas permanentemente a 0^oC. Em qual dos dois recipientes a temperatura uniforme de 0^oC será atingida primeiro?

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77