Transferência de calor: condução, convecção e radiação

Deixa-se uma colher metálica dentro da sopa quente e, passado algum tempo, o cabo também fica quente, embora não toque no líquido, como mostra a figura.

Como se chama o mecanismo pelo qual o calor se propagou ao longo da colher? Explique-o sucintamente.

Complete as frases com o nome do mecanismo que está faltando:

1. a) Na $\dots$ o calor se transmite por contato direto, sem que a matéria se desloque.
2. b) Na $\dots$ o calor viaja com o movimento de um fluido, como o ar ou a água.
3. c) Na $\dots$ o calor viaja sem necessidade de matéria, como acontece com a energia do Sol.

Com uma torradeira funcionando, você faz três testes:

1. a) Você coloca a mão por cima, sem tocá-la, e nota ar quente subindo.
2. b) Você coloca a mão ao lado, sem tocá-la, e também sente calor.
3. c) Você encosta um dedo nela e se queima.

Identifique o mecanismo de transmissão de calor que atua em cada caso.

Ao ligar o aquecedor, o ar do cômodo vai esquentando gradualmente, começando pelo ar junto ao radiador, que sobe em direção ao teto, como mostra a figura.

Que mecanismo distribui o calor pelo ar do cômodo? Descreva-o.

Na praia, ao meio-dia, percebe-se uma brisa que sopra do mar em direção à areia: o ar sobre a areia quente sobe e o ar mais fresco do mar se desloca para ocupar o seu lugar, como mostra a figura.

Que mecanismo de transferência de calor está atuando? Explique.

De dia, na praia, a brisa sopra do mar em direção à terra; de noite costuma soprar ao contrário. Sabendo que a areia esquenta e esfria muito mais depressa do que a água do mar, explique as duas situações utilizando as correntes de convecção.

Um radiador funciona melhor se for instalado na parte inferior da parede do que perto do teto. Observe a figura, que compara as duas instalações:

1. a) Explique o motivo recorrendo às correntes de convecção.
2. b) O que aconteceria com o ar quente se o radiador estivesse junto ao teto? O cômodo aqueceria bem?
3. c) A posição quase não influencia o calor que o radiador transmite por radiação: você saberia explicar por quê?

O Sol aquece a Terra apesar de entre ambos existirem cerca de $150$ milhões de quilômetros de espaço vazio, como mostra a figura.

Que mecanismo de transferência de calor torna possível a chegada da sua energia? Por que razão os outros dois não podem ser?

Num dia frio mas ensolarado de inverno, você se coloca ao sol e sente calor no rosto, embora o ar continue frio. Por qual mecanismo esse calor chega até você? Ele precisa de ar para se propagar?

Uma nave espacial esquenta devido ao Sol e deve liberar o excesso de calor, mas se encontra cercada de vácuo, como mostra a figura.

1. a) Explique por que razão ela não pode esfriar por condução nem por convecção.
2. b) Que mecanismo resta para ela perder calor?
3. c) Os painéis de resfriamento das naves são grandes, pretos e planos: justifique por que essas características favorecem esse mecanismo.

Quando você assa uma pizza no forno, atuam os três mecanismos de transmissão de calor. Identifique-os:

1. a) A resistência elétrica incandescente aquece a pizza sem tocá-la.
2. b) O ar quente circula pelo interior do forno.
3. c) A assadeira metálica aquece a base da massa.

Sentado em frente a uma lareira acesa, você sente o calor no rosto, enquanto a fumaça e o ar quente sobem pela chaminé, como se mostra na figura.

1. a) Que mecanismo está aquecendo você?
2. b) Que mecanismo faz o ar quente subir pela chaminé?

Justifique ambas as respostas.

Você aquece água em uma panela de aço sobre um fogão a gás, como mostra a figura. Descreva o trajeto do calor desde a chama até a água, identificando o mecanismo que atua em cada etapa:

1. a) Da chama e dos gases quentes para o fundo da panela.
2. b) Através do metal da panela.
3. c) Desde o fundo da panela até toda a água.

Você coloca um cubo de gelo preso com uma rede no fundo de um tubo de ensaio cheio de água e aquece a parte superior do tubo com um bico de Bunsen até que a água de cima ferva. O gelo do fundo quase não derrete, como se observa na figura.

1. a) O que esta experiência demonstra sobre a água como condutora de calor?
2. b) Por que a convecção não transporta o calor para baixo, até o gelo?

Classifique estes materiais em bons condutores térmicos ou isolantes térmicos e justifique a sua escolha:

1. a) Uma frigideira de alumínio.
2. b) O cabo de madeira da frigideira.
3. c) Um suéter de lã.
4. d) Uma colher de aço.
5. e) Uma rolha de cortiça.

Por que razão as panelas e as frigideiras têm alças ou cabos de madeira ou de plástico em vez de serem de uma única peça de metal? Explique com base no que você sabe sobre a condução térmica.

Você toca na perna metálica da sua escrivaninha e depois na superfície de madeira, e o metal parece mais frio para você, embora ambos estejam há horas no mesmo cômodo.

1. a) Eles estão realmente a temperaturas diferentes?
2. b) Explique a diferença de sensação recorrendo à condução do calor.

Os casacos de penas aquecem bem porque as penas retêm muito ar entre si.

1. a) O ar imóvel e retido é bom ou mau condutor térmico?
2. b) Explique por que esse ar retido faz com que o nosso corpo perca menos calor.

Uma frigideira tem a base de alumínio e o cabo de um plástico especial, muito mau condutor térmico, como mostra a figura.

Justifique a escolha de cada material pensando no que você pretende que o calor faça em cada parte da frigideira.

Você envolve uma lata fria de refrigerante em um pano de lã grosso e deixa outra lata igual desembrulhada sobre a bancada.

1. a) Preveja qual das duas vai esquentar primeiro.
2. b) Explique o papel da lã como isolante térmico: ela fornece calor ao refrigerante ou impede que o calor chegue até ele?

Você serve chocolate quente em duas xícaras: uma de aço fino e outra de porcelana grossa.

1. a) Qual das duas queima mais os seus dedos ao pegá-la?
2. b) Em qual o chocolate esfria mais depressa?
3. c) Justifique as duas previsões recorrendo à condução do calor e à espessura e ao tipo de material de cada xícara.

No banheiro, descalço, o chão de azulejo parece muito mais frio para você do que o tapete, embora ambos estejam à temperatura da casa.

1. a) Explique essa diferença de sensação.
2. b) Preveja o que você sentiria se o banheiro tivesse piso radiante, a uma temperatura mais alta do que a do seu pé: qual material pareceria mais quente ao pisá-lo?
3. c) Fundamente a resposta pensando em quem cede calor a quem e com que rapidez isso acontece.

No inverno, com o aquecimento ligado, alguém abre a janela totalmente para renovar o ar.

1. a) Explique por qual mecanismo se perde o calor do cômodo ao abrir a janela.
2. b) O que implica uma menor perda de calor: abrir totalmente durante cinco minutos ou deixar a janela entreaberta a manhã toda? Justifique.
3. c) Proponha uma forma de ventilar o cômodo perdendo menos calor e explique por que ela funciona.

Os serviços de emergência cobrem as vítimas com uma manta térmica, uma folha fina e prateada.

1. a) O que acontece com a radiação emitida pelo corpo quando atinge a face prateada da manta?
2. b) O ar que fica entre o corpo e a manta quase não pode se mover: de que forma isso ajuda a reduzir as perdas por convecção?
3. c) A manta não "dá calor" e, no entanto, a pessoa esfria muito mais devagar. Explique por quê.