- Veja errata.
Atualizado em 30/09/2011, às 8h22.
Os objetos que nos cercam, assim como nós mesmos, somos formados por pequenas partículas conhecidas como moléculas. Esses objetos, quando se encontram no estado sólido, terão as suas moléculas fortemente ligadas uma nas outras e por isso a movimentação delas se restringe a pequenas oscilações.
O grau dessas oscilações determina uma grandeza física muito conhecida por nós, a temperatura. Em outras palavras, quanto mais agitadas estiverem as moléculas, maior será a temperatura. Quanto menor o estado de agitação molecular, menor a temperatura.
Desse fenômeno extrai-se uma consequência fundamental para o que se e estuda aqui. Quanto mais agitadas estiverem as moléculas de um determinado objeto, mais afastadas elas estarão entre si. O resultado disso é um aumento no tamanho do objeto, ou seja, quando aquecido, ele sofre uma dilatação.
Observe a figura abaixo:
O aumento de temperatura provoca um afastamento das moléculas e um consequente aumento do tamanho do corpo.
Com o aumento da agitação molecular, as moléculas ficam mais afastadas uma das outras. Por quê? Durante a agitação, duas forças atuam nas moléculas: a de atração, provocando aproximação; e a de repulsão, provocando afastamento.
Essas forças não são simétricas, de modo que a força de repulsão é maior do que a de atração. Assim, é possível concluir que o afastamento das moléculas é maior que a aproximação, resultando no aumento das dimensões do corpo.
A dilatação térmica é algo muito comum no nosso dia a dia, pois os objetos são constantemente submetidos a variações de temperatura. Na engenharia, esse fenômeno deve ser considerado na construção de algumas edificações, como por exemplo, na construção de pontes e viadutos.
Essas construções costumam ser feitas em partes e, entre essas partes, existe uma pequena folga para que, nos dias quentes, ocorra a dilatação sem nenhuma resistência. Do contrário, teríamos algum comprometimento da estrutura.
Dilatação linear
A dilatação térmica linear, ou simplesmente dilatação linear, ocorre em corpos em que o
comprimento é a dimensão mais importante, como por exemplo, em cabos e vigas metálicas.
Por esse motivo, quando sujeitos a variações de temperatura, corpos com esse formato sofrerão, principalmente, variações no comprimento.
Essas variações estão diretamente relacionadas a três fatores:
- o comprimento inicial do objeto (representada por L0);
- o material de que ele é feito (representado por α
);
- a variação de temperatura sofrida por ele (representada por ΔT ).
A partir desses três fatores, pode-se chegar a uma equação matemática que mostra como determinar a alteração de comprimento sofrida por um corpo devido a variações de temperatura, como se vê na figura abaixo, em que ΔL representa precisamente a alteração de comprimento:
Dilatações superficial e volumétrica
As dilatações superficial e volumétrica são aquelas em que prevalecem, respectivamente, variações de área e de volume.
Os fatores que influenciam a dilatação térmica nesses casos são os mesmos da dilatação linear, ou seja: a dimensão inicial do material e a variação de temperatura.
Assim, as equações que determinam essas dilatações são muito semelhantes à equação da dilatação linear, como se pode ver no quadro abaixo.
As constantes β e γ são os respectivos coeficientes de dilatação superficial e volumétrica.
É importante assinalar que os três coeficientes apresentados se relacionam quando se trata de um único material.
Essa relação é dada a seguir:
| Relação entre coeficientes |
| α1β2γ3 |
Condução térmica é um processo de transferência de calor, assim como a convecção e a radiação. Ela ocorre especialmente no interior dos sólidos, em razão de uma diferença de temperatura entre dois pontos do corpo. Na condução, a transferência de calor ocorre principalmente pelas colisões entre átomos vizinhos, que vibram cada vez mais, de acordo com a temperatura.
Leia também: Transformação e variação de temperatura
O que é condução térmica?
Condução térmica é um processo em que o calor se propaga no interior de um corpo mediante as colisões entre átomos vizinhos. Isso ocorre quando há uma diferença de temperatura entre dois pontos de um corpo. Apesar de acontecer mais frequentemente em sólidos, a condução térmica também pode ocorrer em substâncias em outros estados físicos.
Ela é mais comum em sólidos por conta do arranjo tridimensional e regular dos átomos, que apresentam distâncias fixas entre si. Desse modo, as colisões entre eles ocorrem mais frequentemente, permitindo que eles transfiram energia cinética uns para os outros de forma mais eficiente.
A taxa de condução térmica de um certo material é calculada a partir de uma grandeza física conhecida como fluxo de calor. Essa grandeza depende da:
condutividade térmica;
área transversal;
diferença de temperatura entre dois pontos;
espessura desse material.
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Como ocorre a condução térmica?
Quando um corpo apresenta uma temperatura diferente de 0 K, seus átomos apresentam certo grau de movimentação. Nos sólidos, os átomos vizinhos tendem a oscilar em conjunto em torno de uma posição de equilíbrio. No entanto, quando surge um aumento de temperatura em alguma região do sólido, os átomos passam a vibrar com maior frequência, transferindo parte de sua energia cinética para os átomos circundantes. Essa transferência de energia configura a propagação de calor nos sólidos conhecida como condução – quanto maior é o gradiente de temperatura em um sólido, maior será o fluxo de calor através dele.
Exemplos de condução térmica
Se tocarmos o cabo de uma panela que foi colocada no fogo, perceberemos que gradualmente ela irá se aquecer, por conta da condução que ocorre no metal.
Uma blusa grossa nos mantém mais aquecidos que uma blusa fina devido à sua espessura, diminuindo a taxa em que perdemos calor para o meio externo. A espessura do material afeta sua capacidade de conduzir calor.
Veja também: Cinco curiosidades sobre o calor
Fórmula da condução térmica
A fórmula da condução térmica relaciona variáveis como a área transversal do sólido (S), as diferentes temperaturas TA e TB, a condutividade térmica (k), bem como a espessura (e) do material. Confira abaixo como é a fórmula usada na condução térmica e que pode calcular o fluxo de calor (Φ).
Φ – fluxo de calor (W ou cal/s)
Q – calor (J ou cal)
Δt – intervalo de tempo (s)
k – condutividade térmica (W/m.K ou cal/s.m.ºC)
e – espessura (m)
TA e TB – temperaturas em dois pontos distintos do corpo (K ou ºC)
A figura a seguir ilustra o funcionamento da fórmula da condução de calor em sólidos. Na imagem podemos observar um corpo sólido de formato cilíndrico que apresenta uma diferença de temperatura entre suas extremidades. Observe:
Exercícios resolvidos sobre condução térmica
Questão 1 —(Enem) Chuveiros elétricos possuem uma chave para regulagem da temperatura verão/inverno e para desligar o chuveiro. Além disso, é possível regular a temperatura da água, abrindo ou fechando o registro. Abrindo, diminui-se a temperatura e fechando, aumenta-se.
Aumentando-se o fluxo da água há uma redução na sua temperatura, pois:
a) aumenta-se a área da superfície da água dentro do chuveiro, aumentando a perda de calor por radiação.
b) aumenta-se o calor específico da água, aumentando a dificuldade com que a massa de água se aquece no chuveiro.
c) diminui-se a capacidade térmica do conjunto água/chuveiro, diminuindo também a capacidade do conjunto de se aquecer.
d) diminui-se o contato entre a corrente elétrica do chuveiro e a água, diminuindo também a sua capacidade de aquecê-la.
e) diminui-se o tempo de contato entre a água e a resistência do chuveiro, diminuindo a transferência de calor de uma para a outra.
Resolução:
Quando aumentamos o fluxo de água que passa pela resistência do chuveiro, o tempo em que a água permanece em contato direto com essa resistência diminui, dessa maneira, menos calor é transferido para a água, que passa a sair do chuveiro com uma temperatura menor do que sairia se o fluxo de água fosse menor. A alternativa correta, portanto, é a letra E.
Questão 2 — (UEL) Numa sala com temperatura de 18 ºC estão dispostos um objeto metálico e outro plástico, ambos com a mesma temperatura desse ambiente. Um indivíduo com temperatura corporal média de 36 ºC segura esses objetos, um em cada mão, simultaneamente. Neste caso, é correto afirmar que há rápida transferência de calor:
a) da mão para o objeto metálico e lenta da mão para o plástico, por isso a sensação de frio maior proveniente do objeto metálico.
b) do objeto metálico para a mão e lenta do plástico para a mão, por isso a sensação de frio maior proveniente do plástico.
c) da mão para o plástico e lenta da mão para o objeto metálico, por isso a sensação de frio maior proveniente do plástico.
d) do plástico para a mão e lenta do objeto metálico para a mão, por isso a sensação de calor maior proveniente do objeto metálico.
e) da mão para o plástico e lenta da mão para o objeto metálico, por isso a sensação de calor maior proveniente do objeto metálico.
Resolução:
Em geral, os metais são excelentes condutores de calor. Isso faz com que haja uma transferência de calor mais rápida das mãos para o metal, causando a sensação de toque mais fria do que quando tocamos o plástico. Dessa forma, a resposta correta é a letra A.
Questão 3 — (UPE) É muito comum o amplo uso de aparelhos de ar-condicionado durante o verão intenso do Recife. Nessa cidade, uma residência possui uma parede de área 40 m² e espessura 20 cm separando o ambiente interior do exterior. Se a temperatura externa é de 33 ºC e deseja-se manter a interna igual a 23 ºC, qual será o gasto por hora de aparelho ligado, considerando-se, apenas, essa parede separadora?
Dados: A condutividade térmica da parede é igual a 1,25.10-3 kW/m.K e o custo da energia elétrica em kWh é de R$ 0,60.
a) R$ 0,30
b) R$ 0,90
c) R$ 1,20
d) R$ 1,50
e) R$ 2,50
Resolução:
Para resolver esse exercício, usaremos a fórmula do fluxo de calor, utilizada para os casos em que há transferência de calor por meio da condução térmica.
Com base no cálculo feito, descobrimos que o consumo de energia acarretará um gasto de R$ 1,50. Sendo assim, a alternativa correta é a letra E.