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Propagação do calor e suas aplicações · Propagação do calor

Condução, convecção e irradiação

Você já esqueceu uma colher de metal dentro da panela quente e se assustou ao pegá-la? E por que sentimos o calor da fogueira de festa junina mesmo de longe, sem tocar nela? O calor sempre vai de um lugar mais quente para um mais frio, mas pode fazer esse caminho de três jeitos diferentes. Nesta página você vai descobrir quais são eles e usá-los para explicar objetos do dia a dia, como a garrafa térmica e o aquecedor solar.

Condução: o calor passando de partícula em partícula

Ana colocou uma panela de metal no fogo. Depois de algum tempo, o cabo ficou quente, embora a chama não encostasse nele. O calor "caminhou" pelo metal, do fundo da panela até o cabo.

Isso é a condução. Toda matéria é formada por partículas minúsculas que estão sempre se agitando. Na parte aquecida, elas se agitam mais e, ao esbarrar nas vizinhas, passam a agitação adiante. A energia vai de partícula em partícula, sem que o material em si se desloque.

Barra de metal com uma extremidade na chama: o calor avança pela barra da parte quente para a parte fria. extremidade quente extremidade fria o calor se propaga

Nem todo material conduz o calor igualmente bem:

  • Bons condutores térmicos: conduzem o calor com facilidade. São os metais, como cobre, alumínio e ferro.

  • Isolantes térmicos: conduzem mal o calor. São madeira, isopor, lã, plástico, borracha e o ar parado.

Por isso as panelas têm fundo de metal (esquenta rápido) e cabo de madeira ou plástico (não queima a mão). A lã e o isopor guardam muito ar parado, e por isso são ótimos isolantes.

Pratica★☆☆Por começar
Em uma cozinha, Ana percebeu que o cabo de uma panela de metal ficou muito quente depois de algum tempo no fogo, mesmo sem encostar na chama. Qual é o nome da forma de…

Em uma cozinha, Ana percebeu que o cabo de uma panela de metal ficou muito quente depois de algum tempo no fogo, mesmo sem encostar na chama. Qual é o nome da forma de propagação do calor que ocorre ao longo do metal, de uma parte da panela para outra? Explique em uma ou duas frases como ela acontece.

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Pratica★☆☆Por começar
Observe os materiais a seguir: cobre, madeira, alumínio, isopor, vidro e lã. Separe-os em dois grupos, o dos bons condutores térmicos e o dos isolantes térmicos, e…

Observe os materiais a seguir: cobre, madeira, alumínio, isopor, vidro e lã. Separe-os em dois grupos, o dos bons condutores térmicos e o dos isolantes térmicos, e escreva o nome de cada grupo ao lado dos materiais que o formam.

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Convecção: o calor carregado pelo fluido

Lucas pôs água para esquentar no fogão. A água do fundo, aquecida pela chama, sobe; a água fria da superfície desce. Esse vaivém é a convecção.

A explicação está na densidade. Ao ser aquecida, a água se expande: o mesmo volume passa a ter menos massa, ou seja, fica menos densa. A porção quente, mais leve, sobe. A porção fria, mais densa, desce e ocupa o lugar dela, sendo aquecida por sua vez. Forma-se uma corrente de convecção, e o calor é transportado junto com o próprio fluido em movimento.

Panela com água sobre a chama: a água quente sobe pelo centro e a água fria desce pelas laterais, formando correntes de convecção. sobe: quente e menos densa desce: fria desce: fria

A convecção só acontece em líquidos e gases (fluidos), porque neles as partes podem se mover. Ela explica por que o ar quente sobe sobre uma fogueira, por que o ar-condicionado é instalado no alto da parede e por que o congelador fica na parte de cima da geladeira: o ar frio desce e resfria os alimentos abaixo.

Pratica★★☆Por começar
Lucas colocou uma panela com água para esquentar em um fogão. Ele percebeu que a água do fundo, aquecida pela chama, sobe, enquanto a água da superfície, mais fria,…

Lucas colocou uma panela com água para esquentar em um fogão. Ele percebeu que a água do fundo, aquecida pela chama, sobe, enquanto a água da superfície, mais fria, desce. Explique esse movimento usando a ideia de variação da densidade da água com o aquecimento e diga qual forma de propagação do calor está envolvida.

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Irradiação: o calor que atravessa o vazio

Entre o Sol e a Terra existe um enorme espaço vazio, sem ar e sem material algum. Mesmo assim, o calor do Sol chega aqui. Não pode ser condução nem convecção, que precisam de matéria. É a irradiação: a energia viaja na forma de ondas eletromagnéticas (como a luz e o infravermelho), que não precisam de meio material.

Você sente a irradiação ao ficar perto de uma fogueira ou de um churrasco: o calor chega ao seu rosto, mesmo com o ar passando de lado.

Quando a irradiação atinge um corpo, ela pode ser absorvida, refletida ou atravessá-lo:

  • Superfícies escuras e foscas absorvem mais e esquentam mais.

  • Superfícies claras e brilhantes refletem mais e esquentam menos.

Por isso, num dia de sol, uma camiseta preta esquenta mais que uma branca, e os telhados claros deixam a casa mais fresca.

Forma Precisa de matéria? Onde ocorre Exemplo
Condução Sim Principalmente sólidos Cabo da panela esquentando
Convecção Sim, com movimento Líquidos e gases Água fervendo, ar sobre a fogueira
Irradiação Não Também no vácuo Calor do Sol
Pratica★☆☆Por começar
O calor do Sol chega à Terra atravessando o espaço, onde não existe ar nem outro material. Qual forma de propagação do calor explica esse fato? Diga também por que a…

O calor do Sol chega à Terra atravessando o espaço, onde não existe ar nem outro material. Qual forma de propagação do calor explica esse fato? Diga também por que a condução e a convecção não podem explicar a chegada dessa energia até o nosso planeta.

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Por que o metal parece mais frio?

Em um dia frio em Curitiba, Júlia tocou uma maçaneta de metal e uma porta de madeira, ambas no mesmo ambiente. O metal pareceu muito mais frio. Mas, depois de muito tempo no mesmo ambiente, as duas peças estão na mesma temperatura.

A sensação vem da rapidez com que a sua mão perde calor. O metal, bom condutor, retira calor da mão depressa e o espalha por toda a peça. A mão esfria rápido e o cérebro interpreta "isto é muito frio". A madeira, isolante, retira calor devagar, e a pele fica quase na mesma temperatura.

Nosso corpo não é um termômetro: ele sente a taxa de troca de calor, não a temperatura em si.

Pratica★★☆Por começar
Em um dia frio em Curitiba, Júlia tocou com a mão em uma maçaneta de metal e em uma porta de madeira, ambas no mesmo ambiente e na mesma temperatura. O metal pareceu…

Em um dia frio em Curitiba, Júlia tocou com a mão em uma maçaneta de metal e em uma porta de madeira, ambas no mesmo ambiente e na mesma temperatura. O metal pareceu muito mais frio que a madeira. Explique por que isso acontece, relacionando o fato à condução do calor, e diga se as duas peças estão mesmo em temperaturas diferentes.

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Isolar e aquecer: casa, garrafa térmica e coletor solar

Agora vamos juntar as três formas de propagação para explicar objetos reais. A estratégia é sempre a mesma: dificultar o caminho do calor (para isolar) ou facilitar (para aquecer).

Casa fresca no calor

Em Fortaleza, o telhado recebe muita irradiação do Sol. Duas ideias ajudam:

  • Pintar o telhado de branco: a cor clara reflete boa parte da irradiação, e o telhado absorve menos energia.

  • Manta isolante sob as telhas: o isolante conduz mal, e dificulta a condução do calor do telhado quente para dentro dos cômodos.

Garrafa térmica

A garrafa térmica mantém o café quente por horas porque bloqueia as três formas de propagação:

  • Vácuo entre as paredes duplas de vidro: sem matéria, não há condução nem convecção por ali.

  • Superfícies espelhadas: refletem a irradiação de volta, para dentro (se o líquido está quente) ou para fora (se está gelado).

  • Tampa de plástico e rolha: são isolantes e impedem a condução e a saída de ar quente por convecção, mantendo o ar fechado dentro da garrafa.

Como ela só dificulta a troca de calor entre o interior e o ambiente, também mantém o suco gelado: impede o calor do ambiente de entrar e esquentar a bebida.

Corte de uma garrafa térmica com paredes duplas de vidro, vácuo entre elas, superfícies espelhadas, tampa e rolha. parede de vidro vácuo entre as paredes tampa de plástico rolha bebida

Coletor solar

O aquecedor solar usa o que estudamos de modo favorável ao aquecimento:

  • Placas escuras: absorvem muito bem a irradiação do Sol.

  • Cobertura de vidro: deixa a luz entrar e retém o calor dentro (reduz a perda para o ar).

  • Tubos de cobre: o cobre é ótimo condutor e passa o calor das placas para a água depressa.

  • Reservatório mais alto que as placas: a água quente, menos densa, sobe por convecção até o reservatório, e a água fria desce para as placas. A circulação ocorre sem bomba.

  • Reservatório com isolamento térmico: conserva a água quente para o banho, mesmo à noite.

Pratica★★☆Por começar
Em uma casa em Fortaleza, o morador quer reduzir o calor dentro dos cômodos. Ele pensa em pintar o telhado de branco e em instalar uma manta isolante sob as telhas.…

Em uma casa em Fortaleza, o morador quer reduzir o calor dentro dos cômodos. Ele pensa em pintar o telhado de branco e em instalar uma manta isolante sob as telhas. Explique como cada uma dessas medidas diminui a entrada de calor, indicando a forma de propagação do calor (condução, convecção ou irradiação) envolvida em cada caso.

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Pratica★★★Por começar
Uma garrafa térmica tem paredes duplas de vidro, com vácuo entre elas, as superfícies internas espelhadas, uma tampa de plástico e uma rolha. Ela mantém um café quente…

Uma garrafa térmica tem paredes duplas de vidro, com vácuo entre elas, as superfícies internas espelhadas, uma tampa de plástico e uma rolha. Ela mantém um café quente por muitas horas. Analise cada uma dessas características e explique qual forma de propagação do calor ela dificulta. Depois, explique por que a garrafa também mantém um suco gelado por bastante tempo, e não apenas bebidas quentes.

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Pratica★★★Por começar
Uma escola em Natal vai instalar um coletor solar para aquecer a água do banho do vestiário. O projeto prevê placas de cor escura sob uma cobertura de vidro, tubos de…

Uma escola em Natal vai instalar um coletor solar para aquecer a água do banho do vestiário. O projeto prevê placas de cor escura sob uma cobertura de vidro, tubos de cobre por onde a água passa, um reservatório isolado termicamente e a colocação do reservatório em posição mais alta que as placas. Explique o papel de cada elemento do projeto, identificando as formas de propagação do calor (irradiação, condução e convecção) presentes no funcionamento do equipamento. Justifique também a escolha do cobre para os tubos e do isolamento para o reservatório.

Resolver

De volta ao início: a colher de metal esquenta por condução, e o calor da fogueira chega ao rosto por irradiação.

Resumo

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