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Entenda o que é calor e como ocorre a sua propagação

Neste artigo, vamos explorar o fascinante tema do calor e sua propagação, mergulhando em conceitos fundamentais da Física e analisando suas diversas aplicações no mundo científico.

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Ao compreender como o calor se propaga, podemos desvendar os segredos do clima, otimizar sistemas de refrigeração e entender as complexas interações termodinâmicas presentes em nossa vida.

Entendendo a energia térmica: a relação entre calor e a transferência de energia

Quando olhamos ao redor, podemos ver um mundo cheio de coisas incríveis: casas, plantas, carros, pessoas, o ar que respiramos, água, pedras e muitos outros representantes da matéria. Todos eles são formados por moléculas minúsculas que estão sempre em movimento, exceto quando chegamos ao zero absoluto.

Essa agitação das moléculas é a energia térmica do corpo. Na prática, a energia térmica é a soma das energias de agitação e de agregação das partículas, o que define o estado físico da matéria (sólido, líquido ou gasoso).

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A quantidade de energia térmica que um corpo possui depende de dois fatores: a energia de agitação média de cada partícula, que é responsável pela temperatura do corpo, e o número de partículas que ele possui.

Imagine dois corpos, A e B. Embora A tenha uma temperatura mais alta do que B, não necessariamente implica que A tenha mais energia térmica. O número de partículas presentes em cada corpo é um fator crucial nessa equação.

Por exemplo, se compararmos dois corpos, A e B, e A tiver uma temperatura mais alta do que B, não podemos concluir que A contenha mais energia térmica. É possível que B possua mais partículas, resultando em um somatório maior de energias de vibração das partículas em comparação a A.

O estudo da energia térmica é fascinante, pois sempre há algo novo a ser descoberto e explorado. É importante lembrar que a temperatura de um corpo não é a única medida de sua energia térmica. Para uma análise completa, é necessário levar em consideração outros fatores, como o número de partículas.

O que é Calor?

Quando dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato térmico, eles tendem a buscar um estado de equilíbrio térmico, no qual suas temperaturas se igualam.

Esse processo ocorre porque o corpo com temperatura mais alta transfere energia térmica para o corpo com temperatura mais baixa, até que as temperaturas se estabilizem.

Esse fluxo de energia térmica em trânsito é o que chamamos de calor. É importante destacar que o calor é uma forma transitória de energia térmica, pois assim que o equilíbrio térmico é estabelecido, o fluxo de calor cessa.

Embora muitas pessoas usem as palavras “calor” e “temperatura” indistintamente, é importante destacar que elas não são sinônimos. A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas de um corpo, enquanto o calor se refere à transferência dessa energia térmica de um corpo para outro.

Qual a unidade de calor?

A unidade usual é a caloria (cal), que é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água pura em um grau Celsius. Essa medida é comumente utilizada em processos relacionados à nutrição e alimentação, como a contagem de calorias presentes em um determinado alimento.

Outra unidade de medida de calor é a Joule (J), que é a unidade padrão do Sistema Internacional de Unidades (SI). Um joule é igual a 0,24 calorias, ou seja, para converter calorias em joules basta multiplicar a quantidade de calorias por 4,18.

1 cal = 4,186 J

É importante destacar que a medida de calor está relacionada com a quantidade de energia térmica que um corpo contém, enquanto a temperatura está relacionada com o grau de agitação das partículas que compõem o corpo. Ou seja, a quantidade de calor não é o mesmo que a temperatura, apesar de estarem relacionados.

Processos de propagação de calor

Como já foi explicado, a energia térmica é capaz de se deslocar de uma região mais quente para uma região mais fria. Esse processo pode ocorrer de três maneiras diferentes: condução, convecção e radiação.

Condução térmica

Este processo ocorre quando o calor é transferido através de um meio sólido. É como se as moléculas de um objeto passassem a energia térmica para as moléculas do objeto ao lado. Por exemplo, quando uma extremidade de um ferro de passar roupa é aquecida, o calor é transferido para a outra extremidade através do metal do ferro, que conduz a energia térmica.

Cálculo do fluxo de calor – Lei de Fourier

A seguir, apresentaremos uma simplificação matemática dos estudos de Fourier sobre a condução de calor em uma barra de seção transversal uniforme. Para isso, consideraremos a barra com comprimento “L” e área de seção transversal “A”, sendo que suas extremidades estarão em contato térmico com dois meios, a e b, que possuem temperaturas constantes θa e θb, respectivamente (θa > θb). A fim de evitar possíveis perdas de calor, a barra será isolada termicamente ao longo de sua superfície.

Quando há uma diferença de temperatura nas extremidades de uma barra, ocorre um fluxo de calor que se move da região mais quente para a mais fria. A intensidade desse fluxo de calor é determinada pela quantidade de calor Q que atravessa uma seção transversal da barra durante um intervalo de tempo . Essa intensidade é calculada pela razão entre Q e .

   

A unidade usual para medir o fluxo de calor é a caloria por segundo (cal/s). Quando há uma diferença de temperatura entre as extremidades de uma barra de secção transversal uniforme, o fluxo de calor começa a ocorrer da extremidade mais quente para a mais fria. Com o tempo, as diferentes seções da barra alcançam temperaturas constantes, mas diferentes entre si, até que o equilíbrio seja alcançado e o fluxo de calor torne-se estacionário ou permanente.

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Durante o regime estacionário, o fluxo de calor através de uma barra depende de quatro fatores: a área da secção transversal da barra (A), seu comprimento (L), a diferença de temperatura entre os meios a e b (ΔT), e o material que constitui a barra (k). A relação matemática entre essas grandezas é dada pela Lei de Fourier:

   

Onde:

• é o fluxo de calor (em W, J/s ou cal/s)
• é a condutividade térmica do material (em W/mK, J/smK ou cal/smK)
• é a área da secção transversal da barra (em )
• é a diferença de temperatura (em K ou °C) entre os meios a e b
• é o comprimento da barra (em m)

Os metais são geralmente considerados os melhores condutores de calor, apresentando valores de k elevados. Por outro lado, os materiais isolantes térmicos, como a lã de vidro e a cortiça, possuem baixos valores de k.

Convecção térmica

Quando estamos em ambientes fechados, como salas de aula ou cinemas, é comum sentir que o ar fica “abafado” depois de algum tempo. Isso ocorre porque as pessoas presentes no ambiente aquecem as camadas de ar mais próximas, fazendo com que elas se expandam e reduzam sua densidade.

Esse ar quente e menos denso sobe, enquanto o ar frio e mais denso desce para ocupar seu lugar, criando correntes de convecção cíclicas.

Essas correntes de convecção ocorrem constantemente até que todo o ar da sala seja aquecido de forma uniforme, o que faz com que a convecção pare. Como resultado, o ambiente pode se tornar abafado e desconfortável.

Quando uma região de um fluido é aquecida, suas moléculas se expandem, tornando-se menos densas e, consequentemente, mais leves. Isso faz com que a região aquecida do fluido suba, enquanto o fluido mais frio e denso desce.

Esse movimento ascendente e descendente do fluido é conhecido como corrente de convecção, que transfere calor do ponto quente para o ponto frio.

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Por que os aparelhos de ar-condicionado ficam geralmente instalados na parte superior do cômodo?

Os aparelhos de ar condicionado geralmente são instalados na parte superior do cômodo porque o ar frio é mais denso que o ar quente. Isso significa que o ar frio tende a descer, enquanto o ar quente tende a subir.

Ao instalar o ar condicionado na parte superior do cômodo, o ar frio pode ser distribuído de forma mais eficiente, uma vez que ele será liberado diretamente na área onde é mais necessário, ou seja, na parte inferior do cômodo.

Além disso, o ar condicionado na parte superior do cômodo permite que o ar frio se espalhe pelo cômodo de maneira uniforme, evitando pontos de super-resfriamento e mantendo uma temperatura agradável e constante em todo o espaço

A radiação

Quando tomamos sol na praia, estamos expostos às radiações solares, as quais recebemos principalmente por meio de ondas eletromagnéticas que vêm do Sol até a Terra.

Quando essas ondas atingem nosso corpo, elas são absorvidas e transformadas em energia térmica. Esse processo é conhecido como radiação, que é a propagação de energia através de ondas eletromagnéticas.

A radiação ocorre quando o calor é transferido através do espaço vazio ou de um meio transparente, como o ar. Nesse caso, o calor é transferido por ondas eletromagnéticas, como a luz.

Um exemplo disso é quando sentimos o calor do sol na pele, mesmo que não haja um meio material, como ar ou água, entre nós e o sol.

Conclusão

Cada um desses processos de propagação de calor desempenha um papel importante na transferência de energia térmica. Compreender como cada um deles funciona é fundamental para entender como o calor se move através dos objetos e do ambiente ao nosso redor.

Referências e sugestões

Livro Física, Volume 2, Newton, Helou, Gualter

Curso de Física Básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (Volume 2)

Física para Universitários: Relatividade, Oscilações, Ondas e Calor