Condução térmica

Até o presente momento do curso, estamos tratando de um conceito de transformações. Uma fonte de energia é necessária para que o calor transite de um corpo a outro. Entretanto, em muitas situações, o calor necessita de um meio para circular. A transferência de calor pode ser muito lenta em meios materiais chamados isolantes e muito rápida nos condutores térmicos. Chamamos de condução o processo pelo qual as moléculas de um corpo gradualmente se agitam e transmitem a energia cedida a uma parte do corpo. Para que tal fenômeno ocorra, é necessário um meio material para a propagação da energia, pois a transmissão se dá de molécula a molécula num efeito em cadeia, como ilustrado na Figura 2.

Figura 2 - ilustração da condução.

 O vídeo abaixo, mostra este processo feito experimentalmente.

Esse processo dependerá basicamente do material do corpo e do seu estado. Assim, materiais mais densos e com mais partículas livres na sua estrutura molecular, como os metais, são melhores condutores térmicos. Em contrapartida, materiais menos densos, como os líquidos e os gases, bem como aqueles com menos partículas livres, como no caso da madeira e da cerâmica, são piores condutores térmicos.

Em contrapartida, existe uma grandeza que mede diretamente a capacidade de um material transmitir o calor. A partir da equação que caracteriza a lei de Fourier, percebemos que para cada material é possível associar uma constante K, que nos diz a facilidade desse material conduzir o calor. Segue a fórmula citada:

onde K é o coeficiente de condutibilidade térmica, a constante citada anteriormente. A é a área da seção atravessada, delta teta é a diferença de temperatura, delta t é o tempo de transmissão de calor e e é a espessura do material. Todas essas grandezas estão ilustradas na Figura 2:

Figura 3 - lei de Fourier ilustrada.

Na tabela abaixo, colocamos alguns valores típicos do coeficiente de condutibilidade térmica.

Tabela 1 – Valores da constante K.

 

A partir desse conceito, também podemos definir outra grandeza útil chamada fluxo de calor, que nos informa sobre a quantidade de calor transmitida por um corpo num intervalo de tempo padronizado. Segue a expressão dessa grandeza:

As unidades usuais para o fluxo de calor é cal/s ou W (J/s).

Duas aplicações cotidianas desse fenômeno são o cobertor e o isopor. Em noites frias dormimos com cobertor, que nos mantém aquecidos. Não se trata do aquecimento do corpo pelo cobertor, pois o tecido está a mesma temperatura do ambiente quando deitamos. O que de fato nos aquece é o nosso próprio corpo. O cobertor nos isola termicamente, impedindo que percamos calor para o ambiente, pois o cobertor é um bom isolante térmico, além de ser bem confortável. Já o isopor atua de forma similar. O gelo e as bebidas colocadas no seu interior ficam isoladas termicamente do ambiente, permitindo que sua temperatura permaneça por muito mais tempo mesmo com grande calor no exterior.

Figura 4 - O cobertor isola o corpo termicamente.

Figura 5 - O isopor também é um isolante térmico.

Questões para serem comentadas: por que os esquimós constroem suas casas, os iglus, com blocos de gelo?

Por que, ao retirar alguma forma quente do forno, usamos luvas térmicas ou um pano de prato?