Como a garrafa térmica faz para controlar a transferência de calor?

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• Como funciona a garrafa térmica para evitar a troca de calor?
• Como a garrafa térmica consegue manter a temperatura?
• Porque a garrafa térmica reduz a propagação do calor por convecção?
• Como manter o calor e o frio na garrafa térmica?

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Capítulo
1Int rodução e Concei tos Básicos
A ciência da termodinâmica trata da quantidade de calor transferido quando um sistema passa por um processo de estado de equilíbrio para outro, sem fazer nenhuma referência sobre quanto tempo esse processo demora. Mas, 
em engenharia, estamos mais frequentemente interessados na taxa de transferência 
de calor, que é o tema da ciência da transferência de calor.
Começamos este capítulo com a revisão dos conceitos fundamentais da ter-
modinâmica, que são os princípios básicos da transferência de calor. Primeiro, 
abordamos a relação do calor com outras formas de energia e fazemos uma revisão 
sobre balanço de energia. Em seguida, apresentamos os três mecanismos básicos 
de transferência de calor, condução, convecção e radiação, e discutimos o concei-
to de condutividade térmica. Condução é a transferência de energia resultante da 
interação de partículas de maior energia de uma substância com partículas adja-
centes de menor energia. Convecção é o modo de transferência de calor entre uma 
superfície sólida e um líquido ou gás adjacente que está em movimento, e esse 
processo envolve os efeitos combinados de condução e movimento do fluido. Ra-
diação é a energia emitida pela matéria em forma de ondas eletromagnéticas (ou 
fótons), como resultado das mudanças nas configurações eletrônicas de átomos 
ou moléculas. Concluímos este capítulo com uma discussão sobre transferência 
simultânea de calor.
OBJETIVOS
Ao término deste capítulo, você será 
capaz de:
 � Compreender como a termodinâmica 
e a transferência de calor estão 
relacionadas.
 � Distinguir a energia térmica de 
outras formas de energia e a 
transferência de calor de outras 
formas de transferência de energia.
 � Fazer balanços gerais de energia e 
balanços de energia em superfícies.
 � Entender os mecanismos básicos da 
transferência de calor (condução, 
convecção e radiação térmica), a lei 
de Fourier da condução de calor, a 
lei de Newton do resfriamento e a lei 
de Stefan-Boltzmann da radiação.
 � Identificar os mecanismos de 
transferência de calor que ocorrem 
de forma simultânea na prática.
 � Conscientizar-se dos custos 
associado às perdas de calor.
 � Solucionar os vários problemas de 
transferência de calor encontrados 
na prática.
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2 Transferência de Calor e Massa
1–1 TERMODINÂMICA E TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Por experiência, sabemos que, se deixarmos uma lata de bebida gelada em tempe-
ratura ambiente, ela esquentará; da mesma forma, se deixarmos uma lata de bebida 
quente na geladeira, ela resfriará. Isso acontece por causa da transferência de ener-
gia do meio quente para o meio frio. A transferência de energia é sempre do meio 
de maior temperatura para o de menor temperatura, e esse processo cessa quando 
os dois meios atingem a mesma temperatura.
Em termodinâmica, estudamos que a energia existe em diferentes formas. 
Neste capítulo, estamos interessados principalmente no calor, definido como a 
forma de energia que pode ser transferida de um sistema para outro em conse-
quência da diferença de temperatura entre eles. A ciência que estuda as taxas de 
transferência do calor é chamada transferência de calor.
Por que precisamos fazer um estudo detalhado sobre transferência de calor se 
é possível determinar a quantidade de calor transferido para qualquer sistema, em 
qualquer processo, utilizando apenas a análise termodinâmica? A termodinâmica 
está focada na quantidade transferida de calor quando um sistema passa de um es-
tado de equilíbrio para outro, sem fornecer informações sobre o tempo de duração 
do processo. A análise termodinâmica apenas nos informa quanto de calor deve ser 
transferido para realizar determinada mudança no estado termodinâmico, de forma 
a satisfazer o princípio da conservação da energia.
Na prática, estamos mais preocupados com a taxa de transferência do calor 
(calor transferido por unidade de tempo) do que com sua quantidade propria-
mente dita. Por exemplo, podemos determinar a quantidade transferida de calor 
do café quente no interior de uma garrafa térmica para que ele resfrie de 90 °C 
para 80 °C utilizando apenas a análise termodinâmica. No entanto, um típico 
usuário ou fabricante de garrafa térmica pode estar muito mais interessado em 
saber quanto tempo o café demora para resfriar até 80 °C, e uma análise termodi-
nâmica não pode responder a essa questão. A determinação das taxas de transfe-
rência de calor ou de um sistema e, consequentemente, o tempo de aquecimento 
ou resfriamento e a variação de temperatura são os objetivos da transferência de 
calor (Fig. 1–1).
A termodinâmica trabalha com estados termodinâmicos em equilíbrio e trans-
formações de um estado de equilíbrio para outro. A transferência de calor, por sua 
vez, trabalha com sistemas que não estão em equilíbrio térmico, pois são fenôme-
nos de não equilíbrio termodinâmico. Dessa forma, o estudo da transferência de 
calor não pode ser baseado apenas nos princípios da termodinâmica. As leis da 
termodinâmica estabelecem o ambiente de trabalho na ciência da transferência de 
calor. A primeira lei estabelece que a taxa de energia transferida para um sistema 
deve ser igual à taxa de crescimento de sua energia. A segunda lei estabelece que o 
calor deve ser transferido na direção da menor temperatura (Fig. 1–2). É o mesmo 
que um carro estacionado em uma descida, que deve se mover na direção de decli-
ve quando os freios são liberados. Esse processo é também análogo ao da corrente 
elétrica que flui na direção da queda de tensão elétrica ou ao do fluido que escoa na 
direção de queda da pressão total.
A exigência básica para a ocorrência da transferência de calor é a presença da 
diferença de temperatura, pois não pode acontecer transferência líquida de calor 
entre dois corpos que estão na mesma temperatura. A diferença de temperatura é 
a força motriz da transferência de calor, assim como a diferença de potencial elé-
trico é a força motriz da corrente elétrica, e a diferença de pressão, a força motriz 
para o escoamento de fluidos. A taxa de calor transferido em dada direção depende 
da magnitude do gradiente de temperatura (diferença de temperatura por unidade 
de comprimento ou taxa de variação da temperatura) na mesma direção. Quanto 
maior o gradiente de temperatura, maior a taxa de transferência de calor.
Café
quente
Garrafa
térmica
Isolamento
térmico
FIGURA 1–1 Geralmente, estamos 
interessados em saber qual é o tempo 
necessário para o café quente que está no 
interior de uma garrafa térmica resfriar até 
certa temperatura. Essa informação não 
pode ser determinada somente por meio da 
análise termodinâmica.
Calor
Ambiente
frio
20 °C
Café
quente
70 °C
FIGURA 1–2 Fluxo de calor na direção da 
temperatura decrescente.
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 Capítulo 1 Introdução e Conceitos Básicos 3
Áreas de aplicação da transferência de calor
A transferência de calor é frequentemente encontrada em sistemas de engenharia 
e em outros aspectos da vida, e não precisamos ir muito longe para ver algumas 
áreas de aplicação. Na verdade, não precisamos ir a lugar nenhum. O corpo hu-
mano está constantemente rejeitando calor para o ambiente, e nosso conforto 
está diretamente ligado à taxa em que essa rejeição ocorre. Tentamos controlar 
essa taxa de transferência de calor adequando nossas roupas às condições do 
ambiente.
Muitos utensílios domésticos são projetados, totalmente ou em parte, com 
base nos princípios de transferência de calor. Alguns exemplos incluem fogões elé-
tricos e a gás, aquecedores e ar-condicionados, geladeiras e freezers, aquecedores 
de água, ferros de passar e, até mesmo, computadores, TVs e DVDS. Casas ener-
geticamente eficientes são projetadas para minimizar a perda de calor no inverno 
e o ganho de calor no verão.

Como funciona a garrafa térmica para evitar a troca de calor?

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