Teoria

Fala aí! Seja muito bem vindo ao RespondeAí! Bora aprender TUDO sobre condução de calor?!

A condução térmica é um processo de transferência de calor de um corpo com maior temperatura para um de menor temperatura até que se atinja o equilíbrio térmico.

Mas atenção! Pra que a condução ocorra, os corpos de diferentes temperaturas precisam estar em contato!

Condução de Calor.
Condução de Calor.

Vamos imaginar a seguinte situação, você segura uma colher e coloca no fogo e continua segurando a colher (por favor não faça isso 🤣🤣🤣), você vai sentir a colher esquentando e se você continuar ali sua mão vai queimar, certo?!

Na condução o calor é transferido pela vibração das moléculas, de molécula em molécula!

Agora vamos entender como calculamos isso!

Taxa de Condução de Calor

A taxa de condução de calor é o quanto calor que passa por um material por unidade de tempo, no S.I.:

Imagine que temos duas fontes de calor onde , conectadas por uma barra de tamanho e área .

Sistema com condução de calor.
Sistema com condução de calor.

A taxa de condução de calor pode ser dada pela seguinte fórmula:

Lei de Fourier

Podemos calcular a taxa de condução térmica, também, através da seguinte fórmula:

onde:

  • é a condutividade térmica (propriedade do material) e a sua unidade no SI é
  • é a área por onde o calor está sendo propagado;
  • é a espessura na direção do fluxo de calor;
  • é a diferença de temperatura entre as duas fontes;

Resistência Térmica

Todo material apresenta uma certa resistência à transferência de calor, dificultando-a. Medimos essa resistência pela seguinte fórmula:

A unidade no SI da resistência térmica é (metro quadrado kelvin por watt).
A fórmula da condução de calor pode ser reescrita como:

Beleza! Tudo muito bom, tudo muito bem.
Mas e se juntarmos os materiais? Como seria uma associação em série ou em paralelo de condutores térmicos?

Associação em Série

Esse é o caso em que colocamos um material após o outro, assim:

Condução de calor: Resistências em série.
Condução de calor: Resistências em série.

Para condutores em série, temos que usar a conservação de energia. Todo calor que passa por um dos materiais tem que passar pelo outro também.

Repare que no ponto de contato dos dois, temos uma temperatura intermediária

Podemos cortar a área:

E escrever em função das resistências térmicas :

Substituindo isso na equação para , ou para chegamos em:

é

Se os condutores forem de mesmo material:

Nesse caso, basta substituir o comprimento pela soma dos comprimentos:

É como se substituíssemos por um único condutor de mesma área e cujo comprimento é a soma dos comprimentos dos condutores.

Associação em Paralelo

Associar em paralelo é colocar um material do lado do outro, assim:

Condução de calor: Resistências em paralelo.
Condução de calor: Resistências em paralelo.

Para condutores em paralelo, o calor pode fluir tanto pelo material de cima quanto pelo debaixo, então a taxa total vai ser:

Ou escrevendo em função das resistências térmicas:

Se os condutores forem de mesmo material, então as constantes são iguais:

Então temos que todas as resistências são iguais:

Nesse caso, basta substituir a área pela soma das áreas:

Condução, Convecção e Radiação: Diferenças

  • Condução

É quando o calor atravessa um material, átomo a átomo, do corpo mais quente até o mais frio.

Os materiais que fazem isso de forma rápida são chamados condutores térmicos, por exemplo os metais. Os que fazem isso de forma bem lenta são os isolantes térmicos, tipo a madeira.

  • Convecção

É o transporte através do movimento de um fluido causado pela diferença de densidade que ocorre pela variação de temperatura. Pera aí, o que?

Você já percebeu que o freezer é sempre na parte superior das geladeiras? Por quê? Para que ocorra a convecção!

O freezer vai esfriar o ar que está lá em cima, o ar frio por ser mais denso que o ar quente vai então descer deslocando o ar quente para cima. Esse novo ar quente vai ser resfriado pelo freezer e assim sucessivamente, gerando correntes de convecção, que esfriam toda a geladeira.

  • Radiação

É a transmissão de calor por ondas eletromagnéticas. Assim, o calor não precisa de nenhum meio para se propagar. Por exemplo o calor do Sol, que chega até a Terra atravessando o vácuo espacial.

Mas essas duas últimas são pouco estudadas.

Exercício

O teto de uma casa em uma cidade de clima frio deve ter uma resistência térmica  de . Para isso, qual deve ser a espessura de um revestimento (a) de espuma de poliuretano e (b) de prata?

Confira a resposta no vídeo abaixo:

Vamos praticar com mais exercícios?!

Resistência Térmica

Condução, Convecção e Radiação: Diferenças

Exercício

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