Mestrado Profissionalizante em Ensino de Física
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Propagação do Calor
Introdução
Calor é uma forma de energia, portanto, no Sistema Internacional de Unidades, a unidade de calor ou quantidade de calor, cujo símbolo é Q, é a própria unidade de energia , o joule (J). Entretanto, na prática, é usada uma outra unidade de calor, muito antiga (da época do calórico), denominada 1 caloria = 1cal. Por definição, 1 cal é a quantidade de calor que deve ser transferida a 1grama de água para que sua temperatura se eleve de 1ºC.
Joule estabeleceu a relação entre estas duas unidades, encontrando,
1 cal=4,18 J
Calor é a energia transferida de um corpo para outro em virtude, unicamente, de uma diferença de temperatura entre eles.
Esse trânsito de energia pode ser processado de três modos diferentes, conforme será estudado neste capítulo:
Propagação de calor em que a energia térmica é transmitida de partícula para partícula, mediante as colisões e alterações das agitações térmicas; ressalta-se que não há transporte das partículas; há somente transmissão de energia térmica.
Colocando-se uma das extremidades de uma barra metálica numa chama e segurando-se a outra com a mão, sente-se que esta se torna cada vez mais quente, embora não esteja em contato direto com o fogo. Diz-se que o calor atinge o extremo mais frio da barra por CONDUÇÃO TÉRMICA através do material.
A figura abaixo mostra uma experiência simples que ilustra esse processo.
Os percevejos, presos a uma barra metálica com parafina de vela, vão caindo em ordem, a partir da extremidade onde está a chama, enquanto o calor percorre a barra e derrete a parafina.
Ao clicar no link abaixo, você encontrará um apllet sobre condução térmica.
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A convecção térmica é um processo de transmissão em que a energia térmica é propagada mediante o transporte de matéria, havendo portanto, deslocamento de partículas; logo, a convecção é um fenômeno que só se processa em meios fluidos, ou seja, em líquidos e gases.
A figura abaixo mostra de maneira esquemática o que ocorre com a água quando aquecida em uma chaleira. A porção mais quente tem a densidade volumétrica diminuida, devido à dilatação; com isso, ela tende a subir transportando a energia térmica. Ao mesmo tempo, a porção superior mais fria desce, formando correntes(representadas na figura)- são as denominadas CORRENTES DE CONVECÇÃO.
Em regiões litorâneas, durante o dia sopram brisas marítimas e à noite, brisas terrestres como esquematizam as figuras seguintes.
autora da imagem: Isabel Stensmann
O calor proviniente do Sol fornece calor tanto à costa continental como ao mar. Contudo, como o calor específico da água é muito maior do que a da terra, a temperatura na superfície da terra sobe mais rapidamente que a da superfície do mar durante o dia. Então, durante o dia a terra está mais quente que o mar, as correntes de convecção vêm do mar para o continente.
autora da imagem: Isabel Stensmann
À noite, quando a temperatura do ar abaixa, a temperatura da terra também abaixa mais rapidamente do que a do mar. Durante a noite, a situação se inverte, o mar fica mais quente do que o continente e as correntes de convecção sopram da terra para o mar.
A grande concentração de poluentes na atmosfera provoca também uma diminuição da irradiação solar que chega até a superfície. Esse fato, juntamente com a fraca intensidade dos ventos em certos períodos, dá origem às inversões térmicas.
O fenômeno da inversão térmica - comum, por exemplo, em São Paulo, sobretudo no inverno - consiste no seguinte: o ar situado próximo à superfície, que em condições normais é mais quente que o ar situado bem acima da superfície, torna-se mais frio que o das camadas atmosféricas elevadas. Como o ar frio é mais pesado que o ar quente, ele impede que o ar quente, localizado acima dele, desça. Assim, não se formam correntes de ar ascendentes na atmosfera. Os resíduos poluidores vão então se concentrando próximo da superfície, agravando os efeitos da poluição, tal como irritação nos olhos, nariz e garganta dos moradores desse local. As inversões térmicas são também provocadas pela penetração de uma frente fria, que sempre vem por baixo da frente quente. A frente pode ficar algum tempo estagnada no local, num equilíbrio momentâneo que pode durar horas ou até dias.
Diferentemente dos dois processos de propagação de calor estudados (condução e convecção térmica), a IRRADIAÇÃO TÉRMICA não necessita de meio material para transmitir a energia térmica. A energia térmica é transmitida através de ondas eletromagnéticas. A energia emitida por um corpo ou energia radiante propaga-se pelo espaço (inclusive no vácuo) até atingir outros corpos.
O calor que recebemos do Sol chega até nós por irradiação térmica, uma vez que entre o Sol e a Terra existe vácuo.
Todos os corpos aquecidos emitem radiações térmicas que, ao serem absorvidas por um outro corpo, provocam, nele, uma elevação de temperatura.
Estas radiações, assim como as ondas de rádio, a luz, os raios X etc., são tipos de ondas eletromagnéticas, capazes de se propagar no vácuo. Da grande gama de ondas eletromagnéticas existentes, os raios infravermelhos são os que apresentam efeitos térmicos de maior intensidade. Dependendo do maio material que encontram pela frente, tais raios podem ou continuar-se propagando.
Um exemplo de aplicação da irradiação é a estufa de plantas. A luz solar (energia radiante) atravessa as paredes transparentes de vidro e é absorvida por diversos corpos. Posteriormente, esse energia é emitida na forma de raios infravermelhos que não atravessam o vidro (o vidro é um material opaco para os raios infravermelhos). Dessa maneira, o ambiente interno mantém-se aquecido.
O dióxido de carbono e o vapor d'água da atmosfera dificultam a propagação dos raios infravermelhos. Com isso, a energia térmica emitida pela Terra fica, em parte, retida. Tal fenômeno recebe o nome de efeito estufa. Com o decorrer dos anos, esse efeito tem-se intensificado, aumentando a temperatura mádia do planeta, devido ao acúmulo de diòxido de carbono produzido pelas atividades humanas.
Quais os gases que provocam o efeito estufa?
O dióxido de Carbono (CO2) tem um tempo de duração de 50 a 200 anos e, entre os restantes gases, é o que mais contribui para efeito estufa, com uma participação de 64 por cento;
O metano (CH4) tem um tempo de duração de nove a 15 anos e participa em 19 por cento para o efeito estufa.
O óxido Nitroso (N20) tem um tempo de duração de 120 anos e participa em 5,7 por cento para o efeito estufa.
O hexafluoreto de enxofre (SF6) dura cerca de 3200 anos e contribui em 0.08 por cento para o efeito estufa.
O hidrofluorcarboneto (HFC) dura 1,5 a 264 anos e tem um contributo "negligenciável" para o efeito estufa.
O polifluorcarboneto (CFCs) tem um tempo de duração de 50 a 1700 anos e participa em dez por cento para o efeito estufa.
Fonte: Painel Intergovernamental para as Alterações Climáticas (IPCC), 1995
Quais as fontes dos gases com efeito de estufa?
No setor da energia, esses gases são libertados pela queima de combustíveis fósseis, nomeadamente nas indústrias energéticas, industrias manufactureiras e de construção e transportes.
Quanto à agricultura, as substâncias são originadas a partir do cultivo de arroz, agricultura, queima de resíduos agrícolas e de florestas, entre outras fontes.
A incineração de resíduos e a deposição de resíduos sólidos nas terras constituem outras fontes de gases com efeito de estufa.
Fonte: Anexo A do Protocolo de Quioto
Quem são os principais emissores de dióxido de carbono?
Nos últimos 200 000 anos a quantidade de dióxido de carbono CO2 no ar esteve abaixo de 300 partes por milhão, mas no últimos 10 anos subiu acima de 350 partes por milhão e vem crescendo cerca de 1,5 partes por milhão ao ano. Os oceanos distribuem o calor do Sol através de suas correntes maríttimas, e mudanças na temperatura da água nos oceanos causam variações climáticas, como o EL Ninõ. Estima-se que a temperatura média da Terra está atualmente 1ºC mais alta do que estava há um século atrás.
Condução Térmica
Convecção Térmica
Irradiação Térmica
