Se você se sentar em uma cadeira de madeira, a superfície dela ficará quente. Por outro lado, se você se sentar em uma cadeira de plástico ou metal, a superfície não ficará quente depois de você se sentar nela. Por que a superfície de uma cadeira de madeira fica quente, enquanto a de uma cadeira de metal não? Por que dormir no chão frio sem colchão pode causar dor? Você já usou um casaco frio? Por que a maioria dos casacos frios é feita de lã? Ainda há muitas coisas para se pensar e perguntar relacionadas ao tema da transferência de calor por condução.
Prepare uma vela e um pedaço de fio fino. Segure uma das extremidades do fio e encoste a outra extremidade na chama da vela. Aguarde alguns instantes até sentir a mão quente. Por que sua mão fica quente? Quando uma extremidade do fio toca a chama da vela, o calor se move da chama (alta temperatura) para a outra extremidade do fio (baixa temperatura). Essa transferência de calor faz com que a temperatura da extremidade do fio que está em contato com a chama aumente. A diferença de temperatura entre a extremidade do fio que está em contato com a chama e a outra extremidade faz com que o calor se mova da extremidade do fio que está em contato com a chama para a extremidade do fio que está em contato com a sua mão. Essa transferência de calor faz com que a temperatura da extremidade do fio que está em contato com a sua mão aumente. O calor então se move para a sua mão, que está mais fria. Como resultado, sua mão fica quente.
Quando uma parte de um objeto com alta temperatura entra em contato com um objeto com baixa temperatura, o calor se move do objeto com alta temperatura para o objeto com baixa temperatura. A energia adicional faz com que os átomos e moléculas que compõem o objeto se movam mais rapidamente. Ao se moverem, as moléculas adquirem energia cinética (EK = ½ mv² ) . As moléculas que se movem mais rapidamente (com maior energia cinética) colidem com as moléculas próximas. Essas moléculas, por sua vez, colidem com outras moléculas próximas. E assim por diante. Portanto, as moléculas colidem umas com as outras, transferindo energia. A transferência de calor que ocorre por meio de colisões entre as moléculas que compõem um objeto é chamada de transferência de calor por condução.
A fórmula para transferência de calor por condução
O objeto à esquerda tem uma temperatura mais alta (T).1) enquanto o objeto à direita tem uma temperatura mais baixa (T2). Devido à diferença de temperatura (T1 - T2), o calor se move de um objeto com alta temperatura para um objeto com baixa temperatura (a direção do fluxo de calor é para a direita). O objeto através do qual o calor passa tem uma área de seção transversal (A) e um comprimento (l).
Com base nos resultados do experimento, o calor transferido durante um determinado intervalo de tempo (Q/t) é diretamente proporcional à diferença de temperatura (T₁ – T₂ ) , à área da seção transversal (A) e à natureza do objeto (k = condutividade térmica), e inversamente proporcional ao comprimento do objeto. A fórmula para a taxa de transferência de calor por condução é:
Descrição: Q/t = taxa de transferência de calor, k = condutividade térmica, A = área da seção transversal, T1 = alta temperatura, T2 = baixa temperatura, l = comprimento do objeto.
Aplicação da transferência de calor por condução
Por que os azulejos parecem mais frios do que os carpetes? Os azulejos têm maior condutividade térmica do que os carpetes. Portanto, os azulejos são bons condutores de calor, enquanto os carpetes são maus condutores. Quando pisamos em um carpete, o calor flui dos nossos pés para o carpete. Isso acontece porque a temperatura do nosso corpo é mais alta do que a temperatura do carpete. Os carpetes são maus condutores de calor, portanto, o calor que flui dos nossos pés se acumula na superfície do carpete, tornando-o mais quente. Quando pisamos em azulejos ou cerâmica, o calor flui dos nossos pés para os azulejos ou cerâmica. Como os azulejos são bons condutores de calor, o calor não fica retido na superfície. O calor flui livremente, fazendo com que nossos pés pareçam frios. Se sua casa estiver em uma área fria, você deve cobrir o chão do seu quarto com carpete para que seu corpo não perca calor. Por outro lado, se sua casa estiver em uma área quente, você não deve cobrir o chão do seu quarto com carpete, porque você não sentirá frio, mas sim calor 😉
Dormir no chão sem colchão pode causar doenças. Por quê? Isso ocorre porque uma grande quantidade de calor é transferida do corpo para o chão. Calor é energia em movimento. Quando o corpo perde muito calor, seus níveis de energia diminuem. Se você não tem energia, pode ficar doente!
Qual a função das janelas e portas? Por que as portas e janelas devem ser feitas de madeira? À noite, a temperatura do ar fora de casa é mais baixa do que a temperatura do ar dentro de casa. Essa diferença de temperatura faz com que o calor se mova de dentro para fora da casa. Portanto, à noite, geralmente fechamos as portas e janelas. Além de servir para afastar criminosos, uma das funções das janelas e portas é impedir que o calor escape da casa. Normalmente, portas e janelas são feitas de madeira. A condutividade térmica da madeira é baixa o suficiente para que ela atue como isolante térmico. Outra função das janelas e portas é reter o ar. O ar retido na parte interna da janela ou porta atua como um bom isolante (impedindo a fuga de calor). A condutividade térmica do ar é muito baixa. Quanto menor a condutividade térmica de um objeto, mais difícil é a transferência de calor por condução através desse objeto.
Além de manter nosso status de seres humanos civilizados e normais 🙂, as roupas também servem para manter uma temperatura corporal estável. As roupas que vestimos geralmente são ajustadas à temperatura do ar. Quando a temperatura do ar está bastante baixa, as roupas que usamos são mais grossas. Cobertores ou roupas grossas (jaquetas, etc.) impedem a circulação suave do ar. O ar fica preso entre a pele e a jaqueta ou o cobertor. Como há uma diferença de temperatura entre o nosso corpo e o ar preso, o calor se move do corpo para o ar. O calor adicional do corpo faz com que a temperatura do ar preso aumente (o ar fica mais quente). Observe a tabela de condutividade térmica acima. O valor da condutividade térmica do ar é muito baixo. Portanto, o calor não consegue escapar do corpo. Nossa temperatura corporal permanece estável. Se não usarmos jaqueta quando o ar estiver muito frio, o calor escapará do nosso corpo. Quanto mais calor escapar do corpo, mais energia o corpo perderá.
Exemplo de problema
1. 2011/2012 Exame Nacional Questão A81 Nº 10
Preste atenção à seguinte afirmação!
(1) Condutividade metálica
(2) A diferença de temperatura entre as extremidades metálicas
(3) Comprimento do metal
(4) Massa metálica
Os fatores que determinam a taxa de propagação de calor em metais são...
A. (1), (2) e (3)
B. (1) e (4)
C. (2) e (4)
D. (3) e (4)
E. (4) apenas
Discussão
Com base na fórmula da taxa de transferência de calor por condução, os fatores que determinam essa taxa são a condutividade do metal (k), a diferença de temperatura entre as extremidades do metal (T) e o comprimento do metal (l). A massa do metal não tem efeito.
A resposta correta é A.
