Propagacao do Calor Conducao Conveccao e Irradiacao - Resumo

CAPÍTULO 7 PROPAGAÇÃO DO CALOR 1 CONSIDERAÇÕES GERAIS A propagação do calor entre dois sistemas pode ocorrer através de três processos diferentes a condução a convecção e a irradiação A condução térmica como detalharemos adiante é um processo lento de transmissão de energia de molécula para molécula sempre no sentido das temperaturas decrescentes Fig 1a Na convecção térmica as partes diferentemente aquecidas de um fluido movimentamse no seu interior transmitindo a energia Essa propagação Fig 1b também ocorre sempre no sentido das temperaturas decrescentes Nem a convecção nem a condução podem ocorrer no vácuo pois necessitam de um meio material para isso A irradiação é a propagação de energia através de ondas eletromagnéticas Quando a energia dessas ondas é absorvida por um corpo intensificase a agitação de suas moléculas acarretando aumento de temperatura Esse efeito é mais acentuado quando as ondas incidentes são os denominados raios infravermelhos Esse tipo de propagação energética pode ocorrer no vácuo Por exemplo é através desse processo que recebemos energia do Sol Fig 1c 2 CONDUÇÃO TÉRMICA A condução térmica é um processo de propagação do calor em que a energia é transferida de partícula para partícula através de agitação atômicomolecular Cada átomo ou molécula ao receber energia passa a vibrar com maior intensidade e mais energia cinética que os demais Parte dessa energia é transferida para a sua vizinhança que também passa a vibrar intensamente Assim o calor vai se propagando para as regiões mais frias do corpo Nas substâncias sólidas esse é o único processo de propagação do calor pois os átomos não podem por si sós se mover de uma região para outra do corpo mas a energia sim Como ilustração vamos citar uma experiência conhecida Um cilindro de cobre é segurado por uma das extremidades enquanto a outra é aquecida diretamente ao fogo Fig 2 Notamos que a extremidade que seguromos não fica imediatamente quente pois não está recebendo o calor direto da chama No entanto decorrido algum tempo ela começa a se aquecer também e praticamente todo o cilindro vai ficando quente Os átomos que estão na extremidade aquecida diretamente pela chama passarão a vibrar mais intensamente isto é adquiriram mais energia cinética que os demais átomos do cilindro Uma parte desta energia no entanto foi sendo transferida para os seus vizinhos e com isso o calor foi se propagando para o extremo mais frio do cilindro Este mecanismo de transferência de calor é observado em muitas substâncias Os metais se destacam nesse processo devido à existência de elétrons livres Esses elétrons podem rapidamente transferir a energia para seus vizinhos e acelerar o processo Por isso os metais são considerados bons condutores de calor Observações 1ª A propagação de calor por condução não se processa no vácuo é necessária a presença de um meio material Ela ocorre nos sólidos e pode ocorrer com menor intensidade nos fluidos 2ª Nos sólidos o único processo de transmissão de calor possível é o da condução térmica 3ª O calor se propaga no condutor sempre no sentido da região mais quente para a mais fria Fig 1a Propagação de calor por condução térmica Fig 1b Propagação de calor por convecção térmica Fig 1c Propagação de calor por irradiação ondas eletromagnéticas Fig 2 Cilindro de cobre sendo aquecido em uma de suas extremidades 178 179 Bons e maus condutores A propagação do calor por condução difere de substância para substância Mesmo entre os metais encontramos aqueles que conduzem melhor do que outros Por exemplo o cobre conduz melhor o calor que o alumínio A prata é um dos melhores condutores de calor Existem no entanto substâncias em que a condução térmica ocorre de modo pouco intenso sendo denominadas maus condutores térmicos ou isolantes térmicos Estão nesse caso por exemplo a madeira o isopor a cerâmica o tijolo de barro o gelo os líquidos e os gases em geral destaquese o ar como um bom isolante térmico Os isolantes térmicos apresentam muitas aplicações práticas Exemplifiquemos cabos de panela são de material isolante plástico madeira etc baldinhos de gelo são de isopor forros termoacústicos de ambientes são placas de isopor revestidas de lã de vidro as paredes do forno a gás são revestidas de lã de vidro Fig 3 Fluxo de calor ou fluxo térmico Seja Q a quantidade de calor que passa por uma superfície S Fig 4 num intervalo de tempo Δt Definimos fluxo de calor Φ como sendo o quociente entre Q e Δt ϕ QΔt A unidade de fluxo de calor no SI é o watt W isto é joule por segundo No entanto são muito usadas as unidades caloria por segundo cals e caloria por minuto calmin A definição de fluxo de calor é válida qualquer que seja o processo de propagação de calor através de S Regime estacionário ou permanente O regime de condução de calor através de um condutor é dito estacionário ou permanente quando o fluxo térmico não apresenta variações com o tempo Em cada um dos pontos do condutor a temperatura permanece constante apesar de estar ocorrendo uma corrente de calor Para simularmos um regime estacionário vamos realizar a seguinte experiência vamos embrulhar um cilindro de cobre com uma manta isolante de lã de vidro deixando de fora apenas as duas extremidades dele Uma delas é mergulhada num recipiente onde existe água em ebulição em presença de seu vapor a 100ºC a outra é mergulhada em outro recipiente onde existe gelo em fusão a 0ºC Fig 5 Ao longo da barra a temperatura será uniformemente decrescente da extremidade quente para a extremidade fria Enquanto durar o processo de ebulição e de fusão nos extremos do cilindro as temperaturas de todos os pontos vão se manter constantes e o fluxo de calor será também mantido constante O regime é estacionário Fig 3 Aplicações práticas dos isolantes térmicos Fig 4 Fluxo de calor através de uma superfície Fig 5 Simulador de regime estacionário de condução térmica Os extremos do cilindro são imersos em recipientes de temperaturas constantes O cabo da panela é de material isolante O baldinho de gelo é de isopor Forno a gás suas paredes são revestidas de lã de vidro lã de vidro água em ebulição gelo em fusão O cilindro de cobre é envolto com uma manta isolante A temperatura é decrescente ao longo do cilindro 180 181 Lei de Fourier Consideremos novamente um cilindro condutor no qual se estabeleça um regime estacionário de condução térmica Fig 6 Sejam L o comprimento do cilindro A a área da seção transversal θ1 e θ2 as temperaturas em suas extremidades ϕ o fluxo térmico no seu interior Experimentalmente verificase que o fluxo térmico Φ é diretamente proporcional à diferença de temperatura θ1 θ2 entre os extremos do cilindro e à área de seção transversal A mas é inversamente proporcional ao comprimento L do cilindro Essa propriedade é conhecida como Lei de Fourier e se escreve ϕ QΔt KA θ1θ2 L Nessa equação a constante K é denominada coeficiente de condutibilidade térmica da substância e o seu valor é uma característica dessa substância Nos condutores térmicos seu valor é relativamente elevado e nos isolantes térmicos é baixo Tabela de coeficiente de condutibilidade térmica Substância K WmK prata 406 cobre 385 alumínio 205 latão 502 aço 83 mercúrio 08 vidro 004012 madeira 004 fiberglass 001 isopor 16 gelo 0024 ar 0023 oxigênio 058 água A Lei de Fourier pode ser aplicada à condução térmica através de uma placa cujas paredes têm área A e espessura e Fig 7 Também nesse caso admitese a condução em regime estacionário isto é as temperaturas θ1 e θ2 dos dois lados da placa permanecem constantes durante a transmissão Assim para a placa escrevese ϕ QΔt K A θ1θ2 e EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO Uma barra de alumínio de comprimento L 10 m tem uma de suas extremidades em contato térmico com gelo fundente e a outra com vapor dágua a 100ºC como mostra a figura A barra está envolta em amianto para evitar perdas de calor A seção transversal da barra é de 20 cm² e o alumínio tem coeficiente de condutibilidade térmica K 050 calscm ºC Mantido o regime estacionário determine a o fluxo de calor através da barra b a massa de gelo que se funde em 80 10³ s c a massa de vapor que se condensa no mesmo intervalo de tempo Dados Lf 80 calg LV 540 calg para a água Resolução a Temos K 050 calscmºC L 10 m 100 cm A 20 cm² e Δθ 100ºC 0ºC 100ºC O fluxo de calor é ϕ K A Δθ L ϕ 050 20 100 100 ϕ 10 cals b No intervalo de tempo Δt 80 10³ s a quantidade de calor Q é obtida por ϕ QΔt Q ϕ Δt Q 10 80 10³ Q 80 10⁴ cal Para o gelo temos Lf 80 calg A massa mf que se funde é dada por Q mf Lf mf QLf 80 10⁴ 80 mf 10 10³ g 10 kg c Para o vapor temos Lcond LV 540 calg A massa mc de vapor que se condensa é tal que Q mc Lcond mc QLcond mc 80 10⁴ 540 mc 148 g Fig 6 Cilindro condutor Fig 7 Condução térmica através de uma placa θ1 θ2 amianto gelo a 0ºC amianto vapor 100ºC 182 183 2 Um cilindro de cobre de comprimento L 20 m e área de secção transversal A 10 cm² é embrulhado com uma manta isolante de lã de vidro e suas extremidades são conectadas a recipientes contendo água em ebulição e gelo fundente sob pressão normal Usando a tabela contida na teoria de condutibilidade térmica calcule o fluxo de calor que o atravessa 3 A prata tem coeficiente de condutibilidade térmica aproximadamente igual a 1 cals cmºC A barra de prata da figura apresenta comprimento de 20 cm e área de secção transversal igual a 2 cm² Colocamos a extremidade A da barra em vapor a 100ºC e a extremidade B em gelo fundente como na figura a Esboce o diagrama da temperatura θ ao longo da barra em função de x b Determine o fluxo de calor através da barra c Determine a massa de gelo que se funde em 8 minutos Dado calor latente de fusão do gelo 80 calg Dois ambientes A e B estão separados por uma parede metálica dupla isto é formada pela junção de duas placas conforme mostra a figura Para as placas são dados A 20 m² área de cada parede e₁ 10 cm K₁ 40 Js mºC e₂ 20 cm e K₂ 50 Js mºC Admitindo ser estacionário o regime de condução determine a a temperatura θ na junta das paredes b o fluxo de calor que atravessa a parede dupla Resolução a O fluxo de calor que atravessa a parede 1 é o mesmo que atravessa a parede 2 Parede 1 φ K₁ A150 θ e₁ 150ºC 20ºC Parede 2 φ K₂ Aθ 20 e₂ Igualando as duas expressões do fluxo K₁ A150 θ e₁ K₂ Aθ 20 e₂ K₁150 θ e₁ K₂θ 20 e₂ 40150 θ 10 50θ 20 20 8150 θ 5θ 20 1200 8θ 5θ 100 1300 13θ θ 100ºC b Para calcular o fluxo usamos uma ou outra das duas equações anteriores tomando ainda o cuidado devido com as respectivas unidades e₁ 10 cm 010 m A 20 m² K₁ 40 Js mºC θ 100ºC φ K₁ A150 θ e₁ 40 20150 100 010 40 10⁵ Js 5 Uma chapa de cobre de 20 cm de espessura e 10 m² de área tem suas faces mantidas a 100ºC e 20ºC Sabendo que a condutibilidade térmica do cobre é de 320 kcal h¹ m¹ ºC¹ determine a o fluxo de calor que atravessa a chapa de cobre b a quantidade de calor que atravessa a chapa em 050 hora Admita sempre que o regime é estacionário EXERCÍCIOS DE REFORÇO 6 Quais são os três processos de transmissão do calor Quais deles não podem ocorrer no vácuo Por quê Qual é o único que pode ocorrer no vácuo 7 Por que os metais são geralmente bons condutores de calor 8 Explique o seguinte fenômeno uma chapa de aço repousa sobre o tampo de madeira de uma mesa uma pessoa coloca a mão esquerda sobre a chapa de aço e a direita sobre a mesa e tem a sensação de que a chapa de aço está mais fria que a madeira 9 Observe a tabela de condutividade térmica abaixo Material K Wm K alumínio 2050 isopor 0010 fiberglass 0040 madeira 010 Você vai revestir uma caixa de papelão contendo uma dúzia de latas de cerveja geladinhas para o piquenique Qual material é o mais apropriado Justifique 10 FCMSCSP Os iglus embora feitos de gelo possibilitam aos esquimós residir neles porque a o calor específico do gelo é maior que o da água b o calor específico do gelo é extraordinariamente pequeno comparado ao da água c a capacidade térmica do gelo é muito grande d o gelo não é um bom condutor de calor e a temperatura externa é igual à interna 11 Uma barra de ferro de secção transversal circular de área A e comprimento L 40 m está em contato térmico nas seus extremidades com dois reservatórios cujas temperaturas são mantidas constantes O regime é estacionário e a barra de ferro está envolta em material isolante material isolante fonte quente fonte fria 180ºC 60ºC 1 m 2 m Determine a a temperatura no ponto médio M b a temperatura no ponto A 12 MackenzieSP Uma barra metálica é aquecida conforme a figura A B e C são termômetros Admita a condução de calor em regime estacionário e no sentido longitudinal da barra Quando os termômetros das extremidades indicarem 200ºC e 80ºC o intermediário indicará a 195ºC b 175ºC c 140ºC d 125º e 100ºC 13 FAAPSP Uma casa tem 5 janelas tendo cada uma vidro de área 15 m² e espessura 30 10³ m A temperatura externa é 5ºC e a interna é mantida a 20ºC através da queima de carvão Qual a massa de carvão consumida no período de 12 h para repor o calor perdido apenas pelas janelas Dados condutividade térmica do vidro 072 calh mºC calor de combustão do carvão 60 10³ calg 14 CEFETPR Para melhorar o isolamento térmico de uma sala devese a aumentar a área externa das paredes b utilizar um material de maior coeficiente de condutibilidade térmica c dotar o ambiente de grandes áreas envidraçadas d aumentar a espessura das paredes e pintar as paredes externes com cores escuras 3 CONVECÇÃO TÉRMICA A convecção térmica é um processo de propagação de energia que ocorre apenas nos fluidos isto é nos líquidos gases e vapores uma vez que há movimentação das partículas diferentemente aquecidas no interior do meio não podendo ocorrer nos sólidos Esse movimento de partículas acontece por diferença de densidade entre as diversas partes do fluido causada pela diferença de temperatura Assim se um líquido for aquecido por sua parte inferior Fig 8 as partículas do fundo se tornam mais quentes menos densas e sobem as da parte superior relativamente mais frias e menos densas descem Formamse então as denominadas correntes de convecção uma ascendente quente e outra descendente fria que podem ser visualizadas se colocarmos um pó fino como serragem no interior do líquido A convecção apresenta uma série de aplicações assim como diversos fenômenos naturais podem ser explicados pelo menos em parte através da convecção térmica Entre as aplicações podemos citar o fato de o congelador das geladeiras ser colocado na parte superior o ar frio desce e o ar quente sobe a eliminação de gases pelas chaminés os gases quentes sobem a circulação da água no radiador de um automóvel a água quente em contato com o motor sobe etc Na natureza a movimentação do ar formando ventos e brisas é explicada em parte pela convecção A tão temida inversão térmica que no inverno acentua a poluição é causada pela nãoocorrência da convecção em dias frios Fig 8 Convecção térmica num líquido Fig 9 A convecção térmica dispersa os poluentes em dias normais a Em dias frios não há convecção b normais a camada de ar poluído junto à Terra é mais quente que as camadas superiores de ar puro Fig 9a Então o ar poluído sobe sendo substituído pelo ar mais frio e puro das camadas superiores ocorrendo dispersão dos poluentes Em dias frios o ar em contato com o solo é mais frio que o ar das camadas superiores Fig 9b e por isso não há convecção aumentando a concentração de poluentes no ar que respiramos É lógico que há outros fatores que podem produzir dispersão dos poluentes como chuvas e outras correntes de ar Veja o exercício 20 EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO 15 Na figura ao lado temos uma vela acesa Sejam S e L dois pontos do espaço conforme se indica Colocandose o dedo em L e depois em S onde se recebe maior quantidade de calor num mesmo intervalo de tempo Δt Justifique 16 Na figura ao lado temos uma caixadágua na laje de uma residência O encanamento representado pode levar água de M para N ou viceversa Ele é de ferro galvanizado Com o auxílio de um maçarico MC aquecemos o encanamento na região R Haverá circulação de água pelo encanamento Em que sentido a ou b Justifique Observação Nos antigos fogões a lenha havia uma serpentina ligada ao encanamento hidráulico da caixadágua e com isso aqueciase a água ali reservada Era um processo idêntico ao do exercício acima Poderia o calor do Sol chegar à Terra por convecção térmica Justifique Resolução O calor não poderia se propagar no vácuo por convecção térmica pois isso exigiria a movimentação de moléculas de um fluido o que não existe no vácuo O calor do Sol chega à Terra através de ondas eletromagnéticas É a irradiação 18 No verão usamos um aparelho de arcondicionado para refrigerar o ar do ambiente Onde ele deverá estar instalado na parte superior ou inferior da parede 19 Num dia ensolarado a água da piscina ainda estava fria com exceção de uma camada muito fina da sua superfície Explique por que a água do fundo demora para se aquecer 20 Na praia durante o dia sopra uma brisa marítima do mar para a terra À noite sopra a brisa da terra para o mar Analise cada uma das frases que tentam justificar o fenômeno descrito Assinale as verdadeiras I A brisa marítima durante o dia é causada pela marés II Devido à elevada capacidade térmica da água do mar em comparação com a da terra da praia o calor do Sol tem pouca influência no aquecimento da água mas bastante no da areia da praia III Durante a noite a areia se resfria rapidamente devido à sua baixa capacidade térmica enquanto a água do mar mantém a temperatura relativamente elevada O ar quente sobre as águas sobe e dá lugar à brisa fria que vem da terra para o mar IV Durante o dia a areia se aquece com o Sol e a água do mar continua fria por mais tempo devido à sua elevada capacidade térmica O ar quente que paira sobre a areia da praia sobe dando lugar à brisa que vem do mar EXERCÍCIOS DE REFORÇO 21 FUVESTSP Nas geladeiras o congelador fica sempre na parte de cima para a manter a parte de baixo mais fria que o congelador b manter a parte de baixo mais quente que o congelador c que o calor vá para o congelador d acelerar a produção de cubos de gelo e que o frio vá para o congelador 22 UECE A convecção do calor a depende de um meio material para se realizar b explica a propagação do calor nos meios sólidos c explica como chega a Terra o calor do Sol d raramente ocorre em meios fluidos 23 PUCRS A propagação do calor em dias frios a partir de um condicionador de ar numa sala se dá principalmente por a convecção b irradiação c condução d irradiação e condução e irradiação convecção e condução 24 FCMSCSP Em certos dias verificase o fenômeno de inversão térmica que causa aumento de poluição pelo fato de a atmosfera apresentar maior estabilidade Esta ocorrência é devida ao seguinte fator a a temperatura das camadas inferiores do ar atmosférico permanece superior à das camadas superiores b a convecção força as camadas poluídas a circular c a condutibilidade do ar diminui d a temperatura do ar se homogeneíza e as camadas superiores do ar atmosférico têm temperatura superior à das camadas inferiores 25 UFRS As figuras I II e III mostram recipientes idênticos colocados sobre uma balança contendo 1 litro de água cada um nas temperaturas indicadas As setas das figuras IV e V mostram o sentido de circulação da água no interior de um encanamento ao ser aquecida pela ação de uma chama para valores de temperatura entre 4C e 80C Apenas duas dessas figuras descrevem situações físicas corretas Quais são a III e IV b I e IV c II e IV d I e V e III e V 26 UFRS Num planeta completamente desprovido de fluidos apenas pode ocorrer propagação de calor por a convecção e condução b convecção e irradiação c condução e irradiação d irradiação e convecção 27 UFGO Considere as afirmações I A propagação de calor nos líquidos ocorre predominantemente por convecção II A propagação de calor nos sólidos ocorre predominantemente por irradiação III A propagação de calor nos gases ocorre predominantemente por convecção Assinale a se apenas a afirmativa I for correta b se apenas a afirmativa II for correta c se apenas a afirmativa III for correta d se apenas as afirmativas I e II forem corretas e se apenas as afirmativas I e III forem corretas 28 UFSCarSP Considere três fenômenos simples I Circulação de ar em geladeira II Aquecimento de uma barra de ferro III Variação da temperatura do corpo humano no banho de sol Associe a cada um deles nessa mesma ordem o principal tipo de transferência de calor que ocorre nesses fenômenos a convecção condução irradiação b convecção irradiação condução c condução convecção irradiação d irradiação convecção condução e condução irradiação convecção 29 FEMPARPR Relacione os tipos de transmissão de calor da coluna da esquerda com os fenômenos ligados ao mecanismo de transmissão de calor mencionados na coluna da direita Qual a sequência obtida 1 convecção natural 2 condução em sólido 3 radiação térmica 4 convecção forçada 3 emissão de ondas eletromagnéticas através do espaço mesmo vazio 2 gradiente de temperatura 1 diferença de densidade 4 movimento de fluido por agente externo O conjunto das associações corretas é a 1234 b 2143 c 3214 d 3142 e 2134 4 IRRADIAÇÃO TÉRMICA As ondas eletromagnéticas podem se apresentar sob diversas formas luz visível raios X raios ultravioleta raios infravermelhos etc Dessas as que apresentam efeitos térmicos mais acentuados são os raios infravermelhos Chamase irradiação térmica a emissão de raios infravermelhos por um corpo verificandose que quanto maior a temperatura maior a intensidade de energia irradiada Poder emissivo E de um corpo é a relação entre a potência emitida e a área da superfície emitente A E PA Fonte E Wm² tungstênio a 2450 K 50 10⁵ Sol 61 10⁶ Ferro fundido a 1600 K 11 10⁴ 190 191 O poder emissivo geralmente expresso em watts por metro quadrado Wm² depende da natureza da fonte emissora e de sua temperatura como se pode depreender dos exemplos apresentados na tabela Para uma mesma temperatura o maior poder emissivo é o do corpo negro para o qual vale a Lei de StefanBoltzmann O poder emissivo do corpo negro é diretamente proporcional à temperatura absoluta elevada à quarta potência Analiticamente ECN σT⁴ A constante de proporcionalidade σ vale σ 5672 10⁸ Wm² K⁴ A emissividade e de um corpo qualquer é a grandeza adimensional dada pela relação entre o poder emissivo desse corpo e o poder emissivo do corpo negro à mesma temperatura e EECN Evidentemente sendo o poder emissivo do corpo negro o maior para cada temperatura a emissividade de um corpo qualquer é sempre menor que 1 e 1 Para o corpo negro em particular a emissividade é igual a 1 um ou seja eCN 1 Tendo em vista a Lei de StefanBoltzmann a relação anterior se torna e EσT⁴ ou E σT⁴ que nos fornece o poder emissivo de um corpo qualquer em função de sua temperatura absoluta Consideremos um corpo no qual incide energia radiante com a potência PI Fig 10 Dessa energia incidente parte é refletida pelo corpo potência PR parte é absorvida convertendose em energia de agitação molecular potência PA e parte é transmitida pelo corpo atravessandoo potência PT Logicamente devemos ter PI PR PA PT Fig 10 Há reflexão absorção e transmissão da energia radiante incidente num corpo A proporção de energia refletida absorvida e transmitida é avaliada através das grandezas adimensionais refletividade absorvidade e transmissividade Refletividade r de um corpo é a relação entre a potência refletida PR e a potência incidente PI r PRPI Absorvidade a de um corpo corresponde à relação entre a potência absorvida PA e a incidente PI a PAPI Transmissividade t de um corpo é dada pela relação entre a potência transmitida PT e a incidente PI t PTPI Somando essas três grandezas para o mesmo corpo teremos r a t 1 Dizemos que um corpo é atérmico quando é nula a potência transmitida Então da energia incidente parte é refletida e parte é absorvida Portanto nesse caso a transmissividade é nula t 0 donde r a 1 Por exemplo para um corpo atérmico de absorvidade a 06 a refletividade vale r 04 indicando esses valores que 60 da potência incidente é absorvida e 40 é refletida O corpo negro que evidentemente é ideal apresenta absorvidade a 1 e refletividade r 0 isto é ele nada reflete absorvendo toda a energia radiante nele incidente O corpo real que mais se aproxima do corpo negro é o negro de fumo fuligem que reflete apenas 1 da energia incidente De um modo geral os corpos claros e os corpos espelhados apresentam baixa absorvidade e elevada refletividade Ao contrário os corpos escuros possuem elevada absorvidade e baixa refletividade Convém não confundir o fenômeno da emissão com o da reflexão A emissão pressupõe sempre uma anterior absorção de energia irradiada por outros corpos ou um fornecimento de energia através de uma fonte o que não acontece com a reflexão Verificase que todo corpo bom absorvedor é também um bom emissor o que pode ser percebido pelo que foi visto a respeito do corpo negro que apresenta a maior absorvidade aCN 1 e a maior emissividade eCN 1 em qualquer temperatura Essa coincidência entre os valores de emissividade e de absorvidade não é exclusiva do corpo negro valendo para qualquer corpo a denominada Lei de Kirchhoff 192 193 Para cada temperatura qualquer corpo apresenta emissividade e absorvidade iguais a e Se vários corpos em diferentes temperaturas forem colocados num mesmo ambiente todos eles irradiarão e logicamente também absorverão energia Enquanto as temperaturas forem diferentes não haverá igualdade entre as potências irradiada e absorvida Após certo tempo será atingido o equilíbrio térmico mas não cessará a irradiação de energia pelos corpos estabelecendose na verdade um equilíbrio dinâmico para cada corpo a potência irradiada será igual à potência absorvida Em vista disso apesar de o corpo sempre estar irradiando não há o perigo de ele perder toda sua energia chegando ao zero absoluto pois ele sempre estará também absorvendo a energia irradiada pelos outros corpos que o cercam É importante observar que não é necessário que num dado intervalo de tempo a energia emitida por um corpo seja igual à absorvida pelo outro admitindo só haver dois corpos no ambiente Realmente é preciso lembrar que pode também estar ocorrendo reflexão nas superfícies dos corpos Assim se um corpo claro ou polido estiver em equilíbrio térmico num dado ambiente com um corpo escuro o primeiro absorverá com baixa potência e emitirá com baixa potência mas essas potências serão iguais entre si Por outro lado o corpo escuro absorverá com alta potência e irradiará com alta potência potências essas também iguais entre si A GARRAFA TÉRMICA É largamente difundida a utilização da garrafa térmica um dispositivo cuja função é manter um líquido no seu interior por largo tempo quente ou frio Para que isso seja possível a perda ou o ganho de calor pelo líquido para o ambiente deve ser minimizada qualquer que seja o processo condução convecção ou irradiação O recipiente da garrafa é construído com material isolante térmico geralmente o vidro e com paredes duplas A retirada do ar do espaço entre elas forma uma região de quasevácuo Assim evitase a troca de calor por condução A fim de evitarse a irradiação as superfícies interna e externa do recipiente são espelhadas para refletirem a energia radiante A tampa deve vedar bem a boca da garrafa para evitar perdas de calor por convecção 5 ESTUFA Uma estufa é um recinto com paredes de vidro e o fundo pintado de preto Incidindo radiação solar que penetra pelas paredes transparentes de vidro a energia radiante é absorvida pelo fundo negro aquecendoo Graças a isso esse fundo passa a emitir radiações infravermelhas ondas de calor às quais o vidro é sensivelmente opaco isto é não as deixa atravessar Assim a estufa se mantém mais quente que o ambiente externo O vidro é transparente aos raios infravermelhos do Sol os quais têm alta frequência apenas um pouco abaixo do vermelho No entanto esses raios são absorvidos pelo fundo negro da estufa e são novamente emitidos para o seu interior porém com frequência muito mais baixa calor A estufa de plantas é muito usada entre os cultivadores de mudas e de flores Seu telhado é de vidro acrílico ou plástico transparente As plantas absorvem energia radiante e emitem radiações infravermelhas O EFEITO ESTUFA Na Terra ocorre um fenômeno denominado efeito estufa o vapor dágua e o dióxido de carbono presentes na atmosfera terrestre formam uma camada transparente às ondas eletromagnéticas que chegam do Sol e são absorvidas pela Terra aquecendoa mas é sensivelmente opaca à radiação infravermelha emitida pela Terra aquecida Isso impede que a Terra perca sobretudo à noite uma quantidade exagerada de calor irradiado para o espaço Se isso é bom por um lado pode ser ruim por outro Como se sabe vem aumentando gradativamente com o passar dos anos a quantidade de gás carbônico na atmosfera intensificando o efeito estufa o que eleva assim indesejavelmente a temperatura na Terra 194 195 O AQUECIMENTO SOLAR Um sistema de aquecimento solar de água apresenta uma grande vantagem do ponto de vista econômico em relação aos sistemas elétrico ou a gás No aquecimento solar são usadas placas coletoras de energia que aquecem a água que circula numa serpentina O princípio básico é o da estufa Essa água aquecida vai para uma caixadágua ou mesmo para uma piscina No caso de a caixadágua estar situada em um plano superior ao do sistema coletor a água fria desce até ele e a água quente sobe por convecção livre até a caixadágua No caso de uma piscina as placas coletoras são colocadas em nível superior ao da água Não ocorre a convecção espontânea e a água fria é bombeada até o coletor EXERCÍCIOS DE APLICAÇÃO 30 Sobre um corpo atáermico incide energia radiante com potência de 20 kW dos quais ele absorve 50 kW Determine para esse corpo a a absortividade b a transmissividade c a refletividade Resolução a Temos PI 20 kW a potência incidente PA 50 kW a potência absorvida A absortividade se calcula por PAPI 5020 a 025 ou a 25 b Como o corpo é atáermico ele não transmite energia e sua transmissividade é nula t 0 c Para calcular a refletividade basta lembrar que r a t 1 Então r 025 0 1 r 075 ou r 75 31 Um corpo atáermico apresenta absortividade igual a 10 Sobre ele incide energia radiante com potência de 50 kW Determine para esse corpo a a potência absorvida b a potência refletida 32 Um corpo recebe calor de uma fonte quente sob potência constante de 30 kW Sendo sua refletividade igual a 60 e a transmissividade de 10 obtenha a sua absortividade e a emissividade b a potência com que ele irradia o calor de modo a manter sua temperatura constante Resolução a Sendo r a t 100 60 a 10 100 a 30 Pela Lei de Kirchhoff qualquer corpo apresenta emissividade igual à absortividade e a na mesma temperatura Então e 30 b Como o corpo tem e 30 significa que ele irradia 30 de PI 3 kW Pirradiada 30100 x 3 Pirradiada 090 kW 33 Sobre um corpo negro incidiram 10 kcal de energia radiante durante determinado tempo Admitindo que durante esse tempo o corpo negro se manteve em equilíbrio térmico com o ambiente determine a a quantidade de calor absorvida b a quantidade de calor refletida c a quantidade de calor irradiada