Como funciona o processo de condução térmica?

Condução, convecção e irradiação são diferentes processos de propagação do calor. A definição de calor é energia térmica em trânsito, ou seja, está em constante movimentação e transferência entre os corpos do universo. No entanto, para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

A condução térmica

Tipo de propagação do calor que consiste na transferência de energia térmica entre as partículas que compõe o sistema. Por exemplo: coloca-se uma das extremidades de uma barra metálica na chama de fogo. Após alguns instantes, percebe-se que a outra extremidade também esquenta, mesmo estando fora da chama de fogo. Esse fato ocorre porque as partículas que formam o material receberam energia e, dessa forma, passaram a se agitar com maior intensidade. Essa agitação se transfere de partícula por partícula e se propaga em toda a barra até alcançar a outra extremidade.

Esse tipo de transferência ocorre com maior ou menor facilidade dependendo da constituição atômica do material, a qual faz com que ele seja classificado condutor ou isolante de calor. Nas substâncias condutoras esse processo de transferência acontece mais rápido como, por exemplo, nos metais. Já nas substâncias isolantes, como na borracha e na lã, esse processo é muito lento.

A convecção térmica

É o tipo de propagação do calor que ocorre nos fluidos em geral em decorrência da diferença de densidade entre as partes que formam o sistema. Por exemplo: na geladeira os alimentos são resfriados dessa forma. Como sabemos, o ar quente é menos denso que o ar frio e é por esse motivo que o congelador fica na parte de cima da geladeira. Dessa maneira, formam-se as correntes de convecção: o ar quente dos alimentos sobe para ser resfriado e o ar frio desce refrigerando os alimentos, mantendo-os sempre bem conservados. Essa também é a explicação do porquê o ar condicionador ser colocado na parte de cima de um ambiente.

A irradiação térmica

A condução e a convecção são formas de propagação de calor que para ocorrer é necessário que haja meio material, contudo, existe uma forma de propagação de calor que não necessita de um meio material (vácuo) para se propagar, esta é a irradiação térmica. Esse tipo de propagação do calor ocorre através dos raios infravermelhos que são chamadas ondas eletromagnéticas. É dessa forma que o Sol aquece a Terra todos os dias, como também é o meio que a garrafa térmica mantém, por longo tempo, o café quentinho em seu interior.

A garrafa térmica é construída de forma que os três processos de propagação de calor sejam reduzidos ao máximo. Entre suas paredes há o vácuo, o qual impede a propagação do calor por condução. Estas são espelhadas tanto internamente quanto externamente, de forma que os raios infravermelhos sejam refletidos e por último temos a tampa. Esta última quando bem fechada evita o processo de propagação por convecção. Construída dessa maneira, a garrafa térmica mantém sempre bem quentinho o café ou o chá.

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    Condu��o

            � o processo de transfer�ncia de energia atrav�s de um meio material, sem transporte de mat�ria. a energia t�rmica se propaga de part�cula para part�cula do meio. Ocorre principalmente nos materiais s�lidos.

            O modelo que relaciona a temperatura com o movimento das part�culas pode ser usado para explicar a condu��o de calor atrav�s de  um corpo. A medida que recebem calor, os �tomos ou mol�culas do corpo vibram mais intensamente e a energia cin�tica dessas part�culas � transferida sucessivamente de uma part�cula para outra, essa transfer�ncia de energia cin�tica � a propaga��o de calor.

            Como o calor se propaga de part�cula para part�cula, corpos mais densos, com maior n�mero de part�cula por unidade de volume, especialmente part�culas livres, s�o bons condutores. Isto explica por que os metais s�o bons condutores. Pelo mesmo motivo, os l�quidos e gases n�o s�o bons condutores de calor.

            Os materiais em que a condu��o t�rmica praticamente n�o ocorre s�o chamados isolantes t�rmicos, por exemplo, a madeira e o isopor.

            A quantidade de calor que atravessa um condutor, por unidade de tempo, chama-se fluxo de calor (f)e � calculado por:

            A lei que rege esse processo de transmiss�o de calor foi determinada experimentalmente pelo matem�tico franc�s Jean-Baptiste Fourier (1768-1830).

            A lei de Fourier diz que a quantidade de calor Q que atravessa uma parede, sob uma diferen�a de temperatura constante, � diretamente proporcional � �rea da sec��o transversal A, � diferen�a de temperatura (Dq) entre as regi�es separadas pela parede e ao tempo  (Dt) de transmiss�o e inversamente proporcional � extens�o atravessada, ou espessura (e) da parede.

    Na figura 1, abaixo, podemos ver um recipiente fechado, onde a temperatura interna � T2 e a temperatura externa � T1 . Sendo a temperatura interna maior que a externa, o calor passa, espontaneamente, de dentro para fora do recipiente, por condu��o.   

    A quantidade de calor que atravessa as paredes do recipiente � diretamente proporcional � diferen�a entre as temperaturas, � �rea e ao tempo de contato. A quantidade de calor transmitido, de mol�cula para mol�cula, � inversamente proporcional � espessura (Dx) das paredes do recipiente. 

           Figura 1

            Figura 2

    Na figura 2, acima, o calor da chama atravessa as paredes do recipiente por condu��o. Da mesma forma se propaga atrav�s dos alimentos para cozinh�-los.

 A constante de proporcionalidade k � caracter�stica do material que constitui a parede. Chama-se condutividade t�rmica do material e � normalmente dada na unidade cal/s.cm.�C.

            No SI a condutividade t�rmica k � expressa em W/m.K.

             A tabela abaixo mostra a condutividade t�rmica de algumas subst�ncias:  

* A 25 �C.

** Valores m�dios aproximados.

*** A 20oC.

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