"Sempre de quem tem mais (temperatura) para quem tem menos"

Espontaneamente, o calor sempre se propaga das regiões mais quentes para as mais frias.

Propagação de calor

Dois sistemas isolados a temperaturas diferentes irão trocar calor até que suas temperaturas sejam as mesmas (equilíbrio térmico). Estas trocas de calor poderão ocorrer de três formas diferentes:
Condução, Convecção e Irradiação (radiação).

A Taxa de transferência de calor \(\Phi\) (fluxo de calor) entre sistemas, é a razão entre a quantidade de calor \(Q\) propagada através da área \(S\) num intervalo de tempo \((\Delta t)\) , matematicamente, $$\Phi = \frac{Q}{\Delta t}.$$

Condução

Na condução de calor, a energia térmica é transmitida de partícula para partícula (átomos, moléculas ou elétrons) pela colisão direta das mesmas. No vácuo o calor não pode se propagar por condução.

A transmissão de calor entre sólidos geralmente é feita por condução.

Transferência de calor por condução. As moléculas que estão a temperaturas mais altas têm uma vibração térmica maior que as com temperaturas mais baixa, e a colisão entre as moléculas faz o calor ser transmitido das moléculas mais agitadas (mais quentes) para as menos agitadas (mais frias).

No caso da condução, a seguinte lei é importante:

Lei de Fourier
A figura ilustra um tarugo metálico que tem uma parte fria \(T_1\) e uma parte quente \(T_2\). O calor fluirá da parte quente para a fria.
A energia térmica \(Q\) transmitida através de um objeto num certo intervalo de tempo \(\Delta t\) é: $$\frac{\Delta Q}{\Delta t} = -\frac{k A (T_2 – T_1)}{\Delta x},$$ onde \(\Delta x\) é o comprimento do objeto na direção do fluxo de calor, \(A\) é a área transversal através da qual o calor flui, e \(T_1\) e \(T_2\) são as temperaturas das superfícies fria e quente, respectivamente, e \(K\) é a constante de condutividade térmica. A tabela apresenta a condutividade térmica de alguns materiais.
Condutividades térmicas
Materiais Condutividade (W/m . K)
Aço inoxidável 14
Cobre 401
Ar (seco) 0,026
Espuma de Poliuretano 0,024
Lã mineral 0,043
Fibra de vidro 0,048
Pinho branco 0,11
Vidro comum 1,0

Convecção

“Durante a convecção a energia é transmitida pelo próprio fluxo de gás ou de líquido”.

Na transmissão de calor por convecção as moléculas mais quentes são movimentadas de um lugar para outro. Sendo a energia térmica levada com elas. Para que haja convecção é necessário que as moléculas tenham mobilidade, isto é, que o meio seja um fluido (líquido ou gás).

O processo de transferência de calor por convecção é muito complexo, por tanto, não existe uma equação simples e geral para descrevê-lo.

Correntes de convecção. Ao aquecermos um fluido, a parte que se encontra mais perto da chama esquenta mais rápido e com isto fica "mais leve", ou seja, sua densidade diminui. Como a densidade do líquido na parte de baixo do recipiente é menor, ele tende a subir, e o líquido que está em cima, "mais pesado" (maior densidade), tende a descer. Com este processo surgem as correntes de convecção.

Todos os ventos na atmosfera são correntes convectivas de grandes dimensões. <--! vídeo de difusão com serragem e mel (ideia de aoc) -->

Radiação

“Até mesmo no vácuo o calor se propaga”

Irradiação solar. Através da radiação que a energia do Sol chega a Terra, nossa principal fonte de energia.

A radiação de calor é o processo de transmissão de energia através de ondas eletromagnéticas, como luzes, ondas de rádio, TV, "raio X" etc. Este tipo de transferência de energia também pode ocorrer no vácuo.

Todos os objetos que estejam acima do zero grau absoluto irradiam energia.

Um corpo, estando em equilíbrio térmico com suas vizinhanças, irradia e absorve energia à mesma taxa, e, por isso, a sua temperatura permanece constante.

Definições e leis importantes:

Corpo negro
É um corpo que absorve toda a radiação que sobre ele incide e tem emissividade igual a 1.
Lei de Stefan-Boltzmann
A potência de radiação , \(P_r = \frac{\Delta Q}{\Delta t}\) , de uma superfície de área \(A\) , com uma temperatura \(T\) e emissividade \(\varepsilon\) , pode ser expressa pela relação: $$P_r = A \varepsilon \sigma T^4,$$ onde \(\sigma\) é denominada constante de Stefan-Boltzmann \((\sigma=5,67.10^{-8} W/m^2 k^4)\) e \(\varepsilon\) é a emissividade da superfície. Geralmente a emissividade de uma superfície clara é maior do que uma escura, seus valores são obtidos em laboratório e estão tabelados.
Lei de resfriamento de Newton
A taxa de resfriamento (ou aquecimento) de um corpo é proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e suas vizinhanças. Ou seja, dada a temperatura \(T(t)\) do corpo e a temperatura do meio \(M(t)\) no tempo \(t\) , temos então: $$ \frac{\Delta T}{\Delta t} = k [M(t) - T(t)], $$ onde \(k\) é uma constante de proporcionalidade.
Observações
  • Os fornos de micro-ondas aquecem e/ou cozinham os alimentos por irradiação.
  • A energia necessária para a fotossíntese dos vegetais é obtida por irradiação.