Calorimetria e propagação de calor. A calorimetria estuda a troca de calor entre os materiais. Calor é a energia térmica que os materiais possuem. A Propagação de Calor, está relacionado a como o calor pode ser transmitido, propagado.
Panelas, em sua maioria, são de corpo metálico com cabos de madeira ou plástico. Na praia, a areia esquenta muito mais rápido que a água do mar. Um café quente, colocado em uma garrafa térmica, demora para esfriar.
Todas essas aplicações são perfeitamente entendidas quando estudamos os modos de o calor se propagar pelos materiais ou na ausência dos mesmos.
Este módulo tratará de condução, convecção e irradiação do calor e suas aplicações. Estude-o e saberá as respostas científicas para a aplicação dos materiais citados anteriormente, bem como as explicações de seus funcionamentos.
O que é o calor?
Você já sabe que o calor é uma forma de energia que pode ser transferida de um corpo para outro e que está relacionada à energia cinética das moléculas desse corpo. Já vimos também que, sendo um forma de energia, o calor, no Sistema Internacional (SI) é medido em joules (J).
Porém, na prática, usa-se uma outra unidade: a caloria, que pode ser definida como a quantidade de calor que deve ser fornecida a 1g de água para elevar sua temperatura em 1°C.
Há uma relação entre a caloria (cal) e o joule (J), portanto podemos dizer que:
1 cal = 4,18J
Calor específico
Quando corpos formados por diferentes substâncias são aquecidos com a mesma intensidade, eles sofrem diferentes aumentos de temperatura.
Já vimos que uma caloria é a quantidade de calor suficiente para aquecer em 1°C, 1g de água. Mas os cientistas verificaram que para elevar 1g de ferro em 1°C bastavam 0,11 cal. Isto é, o ferro aquece muito mais facilmente.
Esse valor, representando a quantidade de calor necessária para elevar em 1°C, 1g da substância, corresponde ao calor específico daquela substância. Veja abaixo o esquema de uma experiência demonstrando isso:
O calor específico é uma constante física característica dos diferentes materiais, a tabela a seguir nos mostra valores de calor específico para diferentes substâncias:
Iguais volumes de água e ferro são aquecidos durante um mesmo intervalo de tempo e com chamas semelhantes. Ao final (T), medida a temperatura dos dois, verifica-se que a água se encontra a 35°C e que o ferro está com temperatura de 116°C.
De posse dessas informações, você já será capaz de calcular a quantidade de calor (Q), denominada calor sensível, necessária para elevar de uma temperatura inicial (t1) a uma temperatura final (t2) uma dada massa (m) de uma substância cujo calor específico (c) seja conhecido. A relação que reúne todos esses dados é:
Q = mcΔT
Sendo que ΔT = T2 – T1 (temperatura final menos temperatura inicial).
Veja como ela pode ser empregada:
Um bloco de ferro, de massa igual a 50g é colocado sobre uma chama e sua temperatura passa de 25°C para 135°C. Determine a quantidade de calor transferida para o ferro.
Calor latente
Quando uma substância muda de estado físico, ela absorve calor sem que haja mudança em sua temperatura, essa quantidade de calor absorvido por unidade de massa, que não altera a temperatura, recebe o nome de calor latente.
Perceba que um pedaço de gelo enquanto estiver derretendo mantém temperatura de 0°C, porém, ele está absorvendo calor, já que está derretendo.
Transmissão de calor
Já vimos que o calor é uma forma de energia transferida entre os corpos. Se ela é transferida é porque existem mecanismos de transmissão de calor. O calor pode ser transmitido por condução, convecção e radiação.
Veja também:
- Eletromagnetismo campo magnético e atração magnética
- Eletrodinâmica: fórmulas, o que é, introdução – Resumo
- Eletrostática
- O que é a luz
- Calorimetria e propagação de calor
- Termometria: exercícios, fórmulas – Explicação completa
- Introdução à termologia: entenda os conceitos básicos – Fórmulas e exercícios
Condução
Acontece quando o calor é transmitido entre dois corpos com temperaturas diferentes pelo contato físico entre eles. Nesse caso, não há transporte de matéria, a energia é passada de uma molécula a outra pela proximidade entre elas.
Veja um exemplo: imagine que alguém pegou um pedaço de arame e espetou nele alguns pedaços de cera ou parafina, em seguida, levou o arame para aquecer junto a uma chama. O que poderia ser observado?
A medida que o calor da chama aumentasse, a vibração das moléculas da extremidade do arame também aumentaria, transmitindo essa vibração às seguintes e assim sucessivamente, o calor iria sendo propagado de uma extremidade à outra.
Isso poderia ser comprovado pelo fato de que os pedaços de cera mais próximos à chama seriam os primeiros a derreter.
Atenção: o que aconteceria com a mão que segura o arame? Sofreria uma queimadura, com certeza!
Não tente reproduzir esse experimento da maneira como aparece no desenho, você só poderia segurar o arame com auxílio de uma luva grossa ou de algum material que não propagasse o calor com tanta facilidade quanto os metais!
Essa observação nos faz pensar que existem algumas substâncias que transmitem o calor com mais facilidade que outras, isto é, são bons condutores térmicos, como é o caso dos metais. Outras, como a madeira e o ar, são maus condutores e, por isso, recebem o nome de
isolantes térmicos.
Isso justifica a escolha dos metais para a fabricação de panelas e da madeira ou certos tipos de plásticos para compor o cabo das mesmas.
Convecção
Nesse caso, a propagação do calor se faz com transporte de matéria. Massas mais aquecidas (menos densas) substituem as menos aquecidas (mais densas), formando uma corrente de convecção.
Veja o que acontece com a água aquecida em uma panela: o líquido do fundo, em contato com o metal, se aquece e dilata, ficando menos denso.
Em consequência, sobe para a superfície, sendo substituído pelo líquido mais frio de cima. Nesse processo, continua havendo a formação de correntes de líquido mais quente para cima e mais frio para baixo.
Mecanismo semelhante é responsável pela formação dos tipos mais comuns de ventos. Correntes de ar quente sobem e correntes de ar frio descem, em um processo contínuo de aquecimento e resfriamento das camadas atmosféricas mais próximas ao solo.
Radiação
As duas formas de propagação de calor que citamos acima dependem da existência de um meio material para acontecer, porém, a radiação se faz sem que esse meio seja necessário. Na radiação, a maioria do calor chega através de ondas eletromagnéticas: as radiações infravermelhas.
É o caso da propagação do calor do Sol, que atravessa milhões de quilômetros do espaço cósmico, onde não há matéria, e chega até à Terra, dando a ela condições de desenvolver as formas de vida que conhecemos.
Agora, veja que em uma fogueira, por exemplo, o calor pode ser transmitido das três maneiras:
Essas formas de propagação do calor não acontecem apenas nos sistemas físicos, mas também nos biológicos.
Isso quer dizer que, se o corpo humano produz calor, então esse calor também sofre trocas com o meio.
Não apenas o corpo humano, mas todos os animais, especialmente aqueles que mantêm temperatura constante, os homeotermos (como aves e mamíferos), estão constantemente precisando pôr em ação mecanismos que evitem essas trocas, pois o aumento de temperatura corporal pode levar o organismo à morte, assim como a perda desse calor para o meio.
Veja na figura ao lado como o corpo humano tende a perder calor para o ambiente.
O calor se perde de três formas: por condução, pelo contato direto com o ar mais frio como chão ou outro material; por convecção, principalmente quando exposto ao vento; e por radiação.
Depois de ler esse texto você é capaz de responder essas perguntas?
- Como fazer cálculo de calorimetria?
- O que é uma propagação de calor?
- Quanto à direção de propagação as ondas são classificadas como?
- Qual é o conceito de calorimetria?
Referências Bibliográficas
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