O que é transmissão de calor por irradiação

Transmissão de Calor - Condução, convecção e irradiação

Condução de calor

O calor pode se propagar por três processos:

• Condução, convecção e irradiação.

A condução é processo pelo qual o calor se transmite ao longo de um meio material, como efeito da transmissão de vibração entre as moléculas. As moléculas mais energéticas (maior temperatura) transmitem energia para as menos energéticas ( menor temperatura ) .

Há materiais que conduzem o calor rapidamente, como por exemplo, os metais. Tais materiais são chamados de bons condutores. Podemos perceber isso fazendo um experimento como o ilustrado na figura 1. Segurando uma barra de metal que tem uma extremidade sobre uma chama, rapidamente o calor é transmitido para nossa mão. Por outro lado, há materiais nos quais o calor se propaga muito lentamente. Tais materiais são chamados isolantes. Como exemplo podemos citar a borracha, a lã, o isopor e o amianto.

Consideremos uma barra condutora de comprimento L e cuja seção transversal tem área A, cujas extremidades são mantidas a temperaturas

A quantidade de calor ( Q ) que atravessa uma seção reta da barra, num intervalo da tempo (t ) é chamada fluxo de calor. Representando o fluxo por

Experimentalmente, verifica-se que o fluxo de calor é dado pela Lei de Fourier:

Onde k é uma constante cujo valor depende do material e é chamado coeficiente de condutibilidade térmica.

A unidade do fluxo no SI, é J/s, isto é, watt ( W ). Assim, no SI, a unidade de k é

W / m.K

Na tabela abaixo fornecemos os valores de k para alguns materiais.

Exemplo 1

Uma barra de cobre, de comprimento L = 4,0 m tem seção reta de área A = 3,0 . 10-4 m2. Essa barra tem suas extremidades mantidas a temperaturas

a) o fluxo de calor através da barra;

b) a temperatura num ponto situado a 1,6m da extremidade mais quente;

Resolução

 a)

b) A temperatura decresce uniformemente ao longo da barra

Convecção

A convecção ocorre no interior de fluidos (líquidos e gases) como consequência da diferença de densidades entre diferentes partes do fluido. Por exemplo, consideremos o caso ilustrado na figura 3 em que um recipiente contendo água é colocado sobre uma chama. Pelo aquecimento, a parte inferior da água se dilata e fica com densidade menor que a parte superior. Com isso, ocorre uma corrente ascendente e outra descendente. Essas correntes são chamadas de correntes de convecção.

Como outro exemplo podemos citar os refrigeradores. Neles, o congelador é colocado na parte superior. Desse modo o ar mais frio desce, espalhando-se pelo interior do refrigerador.

Irradiação

Todos os corpos emitem ondas eletromagnéticas cuja intensidade aumenta com a temperatura. Essas ondas propagam-se no vácuo e é dessa maneira que a luz e o calor são transmitidos do Sol até a Terra. Entre as ondas eletromagnéticas, a principal responsável pela transmissão do calor são as ondas de infravermelho.

Quando chegamos perto de uma fogueira, uma lâmpada incandescente ou um aquecedor elétrico, sentimos o calor emitido por essas fontes. Uma parcela desse calor pode vir por condução através do ar. Porém essa parcela é pequena, pois o ar é mau condutor de calor. Na realidade a maior parte do calor que recebemos dessas fontes vem por irradiação de ondas eletromagnéticas.

De modo semelhante ao que acontece com a luz, as ondas de calor podem ser refletidas por superfícies metálicas. É por esse motivo que a parte interior de uma garrafa térmica tem paredes espelhadas, para impedir a passagem de calor por irradiação.

Estufa

Muitas plantas são criadas em estufas que são recintos com paredes de vidro. O vidro deixa passar com facilidade as ondas vindas do sol. Essas ondas são absorvidas pelo solo e pelos corpos no interior da estufa. O solo e os corpos interiores emitem por sua vez ondas de calor que, na sua maior parte, não conseguem atravessar o vidro. Desse modo, o interior da estufa fica mais quente que o exterior.

Figura 4

O vapor de água e o gás carbônico da atmosfera têm um efeito semelhante ao do vidro. As ondas do Sol são absorvidas pela Terra a qual se aquece e passa a emitir ondas de calor que têm dificuldade em passar pelo vapor d’água e pelo gás carbônico; isso mantém aquecida a região próxima à superfície da Terra. Ultimamente, os veículos e as indústrias têm contribuído para aumentar a concentração de gás carbônico na atmosfera o que tem provocado um aumento na temperatura média próxima à superfície da Terra. No futuro esse aumento de temperatura pode ter consequências desastrosas.

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Nos estudos realizados a respeito do calor, vimos que ele nada mais é do que a transferência de energia de um sistema para outro, quando existe uma variação na temperatura entre os corpos. A transferência de energia pode ser realizada através de três maneiras: condução, convecção e irradiação. Nosso objeto de estudo nesse caso é a irradiação.

Sabemos que o Sol é uma fonte de energia, praticamente inesgotável, se comparada à expectativa de vida do ser humano. A energia proveniente do Sol e que chega à Terra, com a finalidade de aquecê-la, não ocorre nem por convecção e nem por condução, mas sim por um tipo de radiação que se propaga tanto no vácuo quanto em um meio material. Essa forma de transmissão de energia é denominada irradiação.

Quando aproximamos a mão de um objeto muito quente, como uma lâmpada de filamento, um aquecedor elétrico ou uma fogueira, sentimos a transferência de energia por irradiação. Isso acontece com todos os objetos com temperatura superior ao meio, mesmo que esteja ocorrendo condução ou convecção.

Na realidade, esses processos ocorrem concomitantemente, em geral com a predominância de um sobre os outros. Se a temperatura do objeto é muito alta, a transferência de energia é muito maior pelo processo de irradiação.

A irradiação está associada à natureza eletromagnética da matéria. A radiação, ao atingir um objeto, aumenta a vibração das partículas elétricas no interior de suas moléculas e, consequentemente, aumenta a energia cinética média dessas partículas. O resultado macroscópico é o aumento da temperatura do objeto.

A emissão de radiação também está associada à vibração de partículas carregadas. A rapidez com que a energia é irradiada ou absorvida depende da temperatura e das características da superfície do objeto. As superfícies escuras e rugosas, ou opacas, irradiam e absorvem energia mais rapidamente que as claras e brilhantes, ou polidas.

Existem vários tipos de radiações: radiação visível (luz), radiação ultravioleta, raios X, raios gama, etc. A que aquece os objetos é denominada radiação infravermelha ou radiação térmica. A radiação infravermelha tem várias aplicações, desde terapêuticas até bélicas. Algumas armas emitem radiação infravermelha, que é refletida em algo e volta para uma tela, na qual se transforma em luz visível.

Existem materiais, como o vidro, que dificultam a passagem da radiação térmica, mas permitem a passagem de luz. Numa estufa com cobertura de vidro, as plantas absorvem parte da luz que entra e, uma vez aquecidas, emitem radiação infravermelha. Como o vidro não permite a passagem da radiação, o interior da estufa se aquece.

Aproveite para conferir a nossa videoaula relacionada ao assunto: