Transferência de calor por condução (com exemplos) - Ciência - 2023

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o transferência de calor por condução Consiste na passagem ou fluxo de energia entre dois corpos em temperaturas diferentes, quando eles entram em contato. O calor flui do corpo mais quente para o mais frio, até que ambos estejam na mesma temperatura. Diz-se então que o sistema atingiu o equilíbrio térmico.

É um mecanismo frequente de transferência de calor em sólidos, embora também ocorra dentro de estrelas, que normalmente são gasosas. No entanto, os núcleos das estrelas que avançam em sua evolução são densos o suficiente para que esse mecanismo seja significativo.

Mecanismo de condução de calor

A transferência de calor por condução ocorre por meio da troca de energia entre moléculas, átomos e elétrons. Enquanto ocorre a troca, as partículas mais energéticas cedem parte de sua energia às menos energéticas por meio das colisões que ocorrem entre elas.

Por exemplo, em uma panela que vai ser colocada no fogo, todas as partículas do material oscilam com certa amplitude. A chama aquece os mais próximos, e eles começam a vibrar mais rápido, aumentando sua amplitude de oscilação e ganhando energia.

Parte dessa energia é transmitida às moléculas vizinhas, que por sua vez aumentam sua amplitude de oscilação e também adquirem energia progressivamente. E dessas partículas, parte da energia se propaga em direção às partículas mais distantes da chama.

Aumentos na amplitude de oscilação das partículas se traduzem em um aumento da temperatura, que pode ser sentido com a mão, se você chegar perto o suficiente do metal da panela, incluindo o cabo ou os cabos, portanto, eles estão sempre revestidos de um isolante, para que possam ser manuseados sem queimar.

Porém, a velocidade do processo de condução depende do material, pois algumas substâncias conduzem muito melhor do que outras.

Nesse sentido, os metais são definitivamente excelentes condutores de calor e eletricidade. Eles são melhores do que madeira e plásticos, porque seus átomos têm pelo menos um elétron livre na camada mais externa, que pode viajar através do material e carregar energia com eles.

Mas, surpreendentemente, o diamante é o melhor condutor térmico que existe, embora, devido ao seu preço, não haja alternativa a não ser optar por metais quando se trata de aplicações práticas.

Uma nova pesquisa indica que um composto de boro e arsênio é possivelmente tão bom quanto o diamante na dissipação eficiente de calor.

Velocidade de condução térmica

Para descobrir a rapidez com que o calor se propaga por condução, considere uma folha de material de largura L e área lateral A. A face esquerda está em contato com uma fonte de calor (em vermelho) na temperatura T_h, enquanto a outra face é adjacente a um objeto mais frio, de temperatura T_c.

O calor Q flui entre as faces, do lado mais quente para o lado mais frio, em um tempo Δt. Experimentalmente, descobriu-se que a taxa de mudança ou velocidade com a qual o calor flui entre as faces é proporcional a:

-A área A dos rostos.

-A diferença de temperatura ΔT entre eles.

E também é inversamente proporcional à espessura L da placa. Matematicamente, é expresso assim:

A constante de proporcionalidade é chamada de condutividade térmica k, portanto:

A condutividade térmica é uma característica do material. Em relação às unidades presentes, no Sistema Internacional Q é medido em joules (J), Δt em segundos (s), portanto Q / Δt permanece em J / s que equivale a watts (W). Nesse caso, as unidades de condutividade térmica são W / m ∙ ºC, se a temperatura for medida em graus Celsius ou W / m ∙ K usando a escala absoluta em kelvin.

Bons condutores térmicos têm altos valores de k, com destaque para metais e diamantes.

Uma vez que Q / Δt é potência, se for denotado por P, temos:

Condutividades térmicas de alguns materiais

Abaixo está a condutividade térmica de algumas substâncias conhecidas de uso frequente, em unidades do Sistema Internacional SI W / m ∙ K:

- Diamante sintético: 2000
-Prata: 429
-Ouro: 317
-Cobre: 385
-Zinco: 116
-Tungstênio: 174
-Air: 0,024

Exemplos de transferência de calor por condução

A transferência de calor por condução está presente em muitos aspectos da vida cotidiana:

Utensílios de cozinha

Panelas, frigideiras e, em geral, utensílios de cozinha em metal, como o aço, possuem alças em material isolante. Isso reduz o risco de queimaduras ao manuseá-los enquanto estiverem em contato com a chama ou o conteúdo estiver quente.

Metal e madeira

Quando você segura um pedaço de madeira em uma das mãos e um pedaço de metal na outra, imediatamente percebe que está mais frio ao toque.Os metais, como explicado acima, são bons condutores de calor, então o calor flui mais rápido da mão para o metal do que da mão para a madeira.

Dessa forma, o contato com o metal resfria a mão de quem o segura mais rápido e, consequentemente, a sensação é mais fria do que a madeira, que não é tão boa condutora.

Cobertores e cobertores

As novas capas ficam mais quentes do que as usadas, e isso porque as novas capas têm mais ar dentro das fibras e dos poros. Quanto mais ar dentro, melhor funciona a cobertura, já que o ar é um isolante térmico muito bom.

Isoladores para casas

Em muitas partes do mundo onde faz muito frio no inverno, as casas são protegidas com materiais isolantes de calor, para manter o interior mais confortável.

Por exemplo, existe a fibra de vidro, que contém espaços com ar em seu interior, que funciona como um isolante térmico, evitando que o calor escape.

Bombas de calor

As bombas de calor extraem o calor do maquinário conduzindo o calor por meio de conduítes de metal, de peças superaquecidas para áreas mais frias.

Expansão térmica em metais

Quando um objeto metálico é aquecido, as partículas constituintes oscilam com maior amplitude e a consequência é que as dimensões do objeto são aumentadas.

Recipientes de material isolante

Os recipientes destinados a manter os alimentos em boas condições por mais tempo são feitos de material isolante para que o calor externo não decomponha os alimentos.

Exercício resolvido

A seção transversal de um bloco de cobre tem uma área de 20 cm² e comprimento de 50 cm. Um lado está a 0ºC e o outro a 100ºC. Calcule a taxa de transmissão do calor.

Solução

A equação derivada anteriormente será usada:

Da lista de condutividades, a do cobre é k = 400 W / m ∙ K, e embora as temperaturas dadas na declaração sejam em graus Celsius, o intervalo ΔT é o mesmo em ambas as escalas:

ΔT = 100 K

O comprimento é L = 50cm = 0,5m e a área é A = 20cm² = 0,002 m², resta substituir os valores na equação:

Giambattista, A. 2010. Física. 2ª Ed. McGraw Hill.
Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
Hewitt, Paul. 2012. Ciência Física Conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1. Pearson.
Serway, R., Jewett, J. 2008. Physics for Science and Engineering. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7ª Edição. McGraw Hill.