Transferência de calor de condução (com exemplos)

O Transferência de calor de condução Consiste na passagem ou fluxo de energia entre dois corpos em temperatura diferente, quando eles entram em contato. O calor flui do mais quente para o mais frio, até que ambos estejam na mesma temperatura. É dito então que o sistema atingiu o equilíbrio térmico.

É um mecanismo de transmissão de calor frequente em sólidos, embora também ocorra dentro das estrelas que normalmente são gasosas. No entanto, os núcleos das estrelas avançadas em sua evolução são densas o suficiente para tornar esse mecanismo significativo.

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Mecanismo de direção calórica

A transferência de calor de direção ocorre através de troca de energia entre moléculas, átomos e elétrons. Enquanto a troca ocorre, o maior número de partículas de energia fornece parte de sua energia à menor energia através das colisões que ocorrem entre elas.

O calor é transferido por comida para os alimentos na wok, também as mangas dos utensílios são protegidas com material isolante para evitar queimaduras

Por exemplo, em uma panela que será colocada em chamas, todas as partículas do material oscilam com uma certa amplitude. A chama aquece aqueles que mais próximos, e eles começam a vibrar mais rapidamente, aumentando sua amplitude de oscilação e ganhando energia.

Parte dessa energia é transmitida às moléculas vizinhas, que por sua vez aumentam sua amplitude de oscilação e também adquirem energia progressivamente.  E dessas partículas, parte da energia se espalha para as partículas mais distantes da chama.

Uma das extremidades da barra é aquecida e a energia é transferida entre as moléculas até chegar à outra extremidade. Fonte: Wikimedia Commons.

Os aumentos na amplitude da oscilação das partículas se traduzem em um aumento de temperatura, que pode ser sentido com a mão, se você se aproximar o suficiente para o metal da panela, incluindo a alça ou as alças, portanto eles estão sempre cobertos de um isolador, portanto que eles podem ser manipulados sem queimar.

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Agora, a velocidade do processo de direção depende do material, já que algumas substâncias lideram muito melhor do que outras.

Nesse sentido, os metais são definitivamente excelentes condutores de calor e eletricidade. Eles são melhores que madeira e plásticos, porque seus átomos têm pelo menos um elétron livre na camada mais externa, que pode se mover através do material e transportar energia com eles.

Mas, surpreendentemente, o diamante é o melhor condutor térmico que existe, embora devido ao seu preço, não exista outra alternativa para se contentar com metais quando se trata de aplicações práticas.

Novas investigações indicam que um composto de boro e arsênico é possivelmente tão bom quanto o diamante para disparar calor com eficiência.

Velocidade de acionamento térmico

Para saber a rapidez com que o calor se propaga dirigindo, considere uma folha de material amplo e área lateral para. A face esquerda está em contato com uma fonte de calor (em vermelho) à temperatura t_h, Enquanto o outro rosto é adjacente a um objeto mais frio, a temperatura t_c.

Um bar no meio de duas fontes em diferentes temperaturas. O calor flui entre os dois lados, da fonte de temperatura mais alta para a mais fria. Fonte: Wikimedia Commons/F. Zapata.

O calor que flui entre as faces, do lado mais quente para o mais frio, em um tempo Δt. Experimentalmente, verifica -se que a taxa de câmbio ou a velocidade com que o calor flui entre as faces é proporcional a:

-Área A dos rostos.

-A diferença de temperatura Δt entre eles.

E também é inversamente proporcional à espessura da placa. Matematicamente, é expresso da seguinte maneira:

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A constante de proporcionalidade é chamada de condutividade térmica k, portanto:

A condutividade térmica é uma característica do material. Quanto às unidades presentes, no sistema internacional que é medido em Joules (J), Δt em segundos (s), portanto, o q/ Δt permanece em J/ s que é equivalente a Watios (W). Nesse caso, as unidades de condutividade térmica são W/M ∙ ºC, se a temperatura for medida em graus Celsius ou W/M ∙ K ao usar a escala absoluta em Kelvin.

Bons condutores térmicos têm altos valores de k, destacando metais e diamantes.

Como q/ Δt é poder, se for indicado por P: é:

Condutividade térmica de alguns materiais

Em seguida, a condutividade térmica de algumas substâncias conhecidas frequentemente usadas, em unidades do sistema internacional se w/m ∙ k:

-Diamante sintético: 2000
-Prata: 429
-Ouro: 317
-Cobre: ​​385
-Zinco: 116
-Tungstênio: 174
-Ar: 0.024

Dirigindo exemplos de transferência de calor

Dirigir a transferência de calor está presente de várias maneiras da vida cotidiana:

Utensílios de cozinha

Os vasos, as panelas e, em geral. Isso reduz o risco de queimaduras ao manipulá -las enquanto eles estão em contato com a chama ou o conteúdo está quente.

Metal e madeira

Quando um pedaço de madeira é mantido em uma mão e outro de metal na outra, é imediatamente notado que isso é mais frio ao toque. Os metais, como explicados acima, são bons motoristas de calor, então o calor flui mais rápido da mão para o metal do que a mão para a madeira.

Dessa maneira.

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Cobertores e capas

Novas capas parecem mais aquecidas do que as capas usadas, e isso ocorre porque as novas têm mais ar dentro das fibras e poros. Quanto mais ar dentro, melhor a cobertura é.

Isolante para casas

Em muitas partes do mundo onde está muito frio no inverno, as casas são protegidas com materiais isolantes de calor, para que o interior permaneça mais confortável.

Por exemplo, há fibra de vidro, que contém espaços de ar dentro, que funciona como isolador térmico, impedindo que o calor escape.

Bombas de calor

As bombas de calor extraem calor de máquinas que acionam o calor através de dutos de metal, de peças superaquecidas a áreas mais frias.

Dilatação térmica em metais

Quando um objeto metálico é aquecido, as partículas constituintes oscilam com uma amplitude maior e a conseqüência é que as dimensões do objeto aumentam.

Contêineres de material isolante

Os recipientes destinados a manter os alimentos em boas condições por mais tempo são feitos de material isolante para que o calor de fora não quebre a comida.

Exercício resolvido

A seção transversal de um bloco de cobre tem uma área de 20 cm² e 50 cm de comprimento. Um dos lados está em 0º C e o outro a 100 º C. Calcule a taxa para a qual o calor é transmitido.

Solução

A equação deduzida anteriormente será usada:

Na lista de motoristas, o cobre é k = 400 W/m ∙ K e, embora as temperaturas dadas na declaração estejam em graus Celsius, o intervalo ΔT é o mesmo em ambas as escalas:

Δt = 100 k

O comprimento é L = 50 cm = 0.5m e a área é A = 20 cm² = 0.002 m², Resta substituir os valores na equação:

 Referências

1. Giambattista, a. 2010. Física. 2º. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, d.  2006. Física: Princípios com aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Ciência física conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Física da Universidade com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1. Pearson.
5. Serway, r., Jewett, J. 2008. Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
6. Tiptens, p. 2011. Física: conceitos e aplicações. 7ª edição. McGraw Hill.