Transferências de calor de um corpo em uma temperatura mais alta para um corpo em uma temperatura mais baixa. A transferência de calor de um corpo para outro pode ocorrer por qualquer um dos seguintes modos: Condução, Convecção e Radiação. Esses três modos de transferência de calor de um lugar para outro podem ser compreendidos com a ajuda da seguinte atividade simples e interessante. 

Suponhamos que dez meninos estejam sentados em uma fileira. Uma professora pede ao primeiro menino da fila que entregue uma maçã ao último menino da fila. Agora, o primeiro menino pode entregar a maçã ao último menino da fileira de três maneiras diferentes. Ele entrega a maçã ao segundo menino sem sair de sua posição. O segundo menino passa para o terceiro menino da mesma maneira. 

  • O processo de entrega da maçã ao próximo menino continua até que o último menino receba a maçã. Esse processo de transferência da maçã de um menino para o outro é equivalente à condução na transferência de calor .
  • O primeiro garoto depois de pegar a maçã de seu professor se levanta e vai até o último garoto para entregar a maçã e então volta para sua posição. Este processo de transferência da maçã do primeiro menino para o último menino é equivalente à convecção na transferência de calor . 
  • O primeiro menino simplesmente joga a maçã em direção ao último menino que recebe a maçã. Este processo de transferência da maçã é equivalente à radiação na transferência de calor . A radiação é o modo mais rápido de transferência de calor.

Condução

Processo pelo qual o calor é transferido da parte quente para a parte fria de um corpo por meio da transferência de partículas de energia para outra partícula do corpo, sem o movimento real das partículas de suas posições de equilíbrio em uma chamada condução. 

por exemplo, a transferência de calor de uma parte para outra parte de um sólido ocorre por meio de condução. 

Bons condutores-: Algumas substâncias permitem que a batida passe por elas mais facilmente do que outras. As substâncias ou sólidos que permitem que o calor passe por eles mais facilmente são chamados de bons condutores de calor. Prata (o melhor condutor), cobre, alumínio, mercúrio, etc. são exemplos de bons condutores de calor. 

Maus condutores-: Por outro lado, as substâncias ou sólidos que não permitem que o calor passe mais facilmente são chamados de maus condutores de calor. Feltro de vidro, madeira, mica, etc. são exemplos de condutores de calor.

Mecanismo de condução térmica 

De acordo com a teoria cinética da matéria, a energia cinética média de uma molécula de um sistema é diretamente proporcional à temperatura. Assim, a coleção de moléculas com grande energia cinética média está em temperaturas mais altas do que as moléculas com energia cinética média mais baixa. 

Considere uma haste metálica de comprimento L, cuja extremidade esquerda está em contato com um corpo quente na temperatura T, e a extremidade direita está em contato com o corpo frio na temperatura Isolador Barra metálica T: (Figura 1). As moléculas da haste estão compactadas e não podem se mover de uma posição para outra da haste. No entanto, eles podem vibrar sobre seu equilíbrio ou posições médias. As moléculas na extremidade esquerda absorvem a energia térmica do corpo quente. 

Devido à absorção de energia térmica, sua energia cinética média aumenta. Assim, a energia cinética média das moléculas na extremidade esquerda do corpo quente torna-se muito alta em comparação com a energia cinética média das moléculas na extremidade direita. As moléculas na extremidade esquerda vibram em torno de suas posições de equilíbrio com grande amplitude e colidem com as moléculas vizinhas.

Como resultado disso, o calor é transferido de uma molécula. A molécula que ganha calor vibra com grande amplitude e transfere o calor de uma molécula para a próxima. Molécula colidindo com ela. Esse processo continua até que o calor seja transferido da extremidade quente para a extremidade fria do corpo. Assim, o calor é transferido de uma parte para outra parte do sólido sem o movimento real das partículas do sólido. O calor é transferido, a temperatura em diferentes pontos ao longo da haste aumenta e, finalmente, um estado estacionário é alcançado quando não há mais transferência de calor da extremidade quente para a extremidade fria. Em um estado estacionário, a temperatura de diferentes pontos ou seções da barra é constante, mas diferente.

À medida que nos afastamos da extremidade quente da haste, a temperatura em diferentes seções continua diminuindo. A diminuição da sintonia com a distância da extremidade quente da haste é conhecida como gradiente de temperatura. 

É denotado por -dθ / dx

A unidade SI do gradiente de temperatura é K / m ou Km -1 . 

Condutividade térmica 

Considere um pequeno pedaço de material na forma de um cubo, deixe o dobro 1 do cubo ser mantido a uma temperatura θ + △ θ e a face II a uma temperatura θ. A área da face I é A e a distância entre as duas faces é △ x (digamos). É e que o calor (Q) flui da face I para II é 

(i) diretamente proporcional à área (A) da face I 

(ii) diretamente proporcional à diferença de temperatura (△ θ) entre os dois 

(iii) diretamente proporcional ao tempo (t) decorrido 

(iv) inversamente proporcional à distância (At) entre as faces. 

Q∝ A △ θt / △ x      ou        Q = -KA ( △ θ / △ x) t

onde K é a constante de proporcionalidade e é chamada de condutividade térmica do material. Depende da natureza do material. 

K = - (Q / t) / A (△ θ / △ x)

Definição: A condutividade térmica de um material é definida como a quantidade de energia térmica que flui pelas faces opostas do cubo medidor em um segundo, quando as faces opostas do cubo são mantidas a uma diferença de temperatura de 1 ° C ou 1K.

Unidade de condutividade térmica

No sistema CGS, a unidade de K é   cal s -1 cm -1 ° C -1

Na unidade SI de K é J s -1 m -1 K -1

Fórmula dimensional de K = [MLT -3 K -1 ]

Aplicações de condução térmica 

1) Uma gaze de arame é colocada sobre a chama do bico de Bunsen enquanto se aquece o frasco ou um béquer. 

Quando uma gaze de arame é colocada sobre a chama de um bico de Bunsen, a chama não vai além da gaze e, portanto, não há contato direto entre a chama e o frasco. A gaze de arame sendo um bom condutor de calor, absorve o calor da chama. Portanto, a temperatura dos gases acima da gaze não é alta o suficiente para a queima dos gases. A lâmpada de segurança de Davy foi projetada com base neste princípio. A temperatura fora da gaze colocada ao redor da chama da lamparina não é alta, então os gases fora da gaze não pegam fogo.

2) No inverno, as cadeiras de ferro parecem mais frias do que as cadeiras de madeira. 

O ferro é um bom condutor de calor. Quando tocado, ele absorve o calor do nosso corpo e, portanto, começa a transferência de calor do nosso corpo para a cadeira de ferro. Como nosso corpo perde calor, sentimos frio. Por outro lado, a madeira é um mau condutor de calor. Portanto, a transferência de calor do nosso corpo para a cadeira de madeira é muito menor. Conseqüentemente, as cadeiras de madeira parecem menos frias do que as de ferro.

3) Os utensílios de cozinha são feitos de alumínio e latão e os cabos são de madeira. 

O alumínio e o latão são bons condutores de calor. Assim, eles absorvem o calor do fogo mais rapidamente e, por sua vez, o fornecem ao alimento a ser cozido. Por outro lado, a madeira sendo um mau condutor de calor absorve menos calor e, portanto, os cabos ficam menos quentes. Portanto, podemos pegar os utensílios de cozinha quentes sem queimar as mãos. 

4) Utensílios de aço com fundo de cobre são bons para o aquecimento uniforme de alimentos. 

O cobre é melhor condutor do que o aço porque a condutividade térmica do cobre (K 385 W m K) é muito mais do que a condutividade térmica do aço (K 50-2 W m K). Portanto, o cobre é aquecido rapidamente. O cobre está em contato com o aço. O calor é transferido para o utensílio de aço na junção do aço e do cobre. Agora, o aço não transfere o calor para a comida tão rapidamente, mas transfere o calor para a comida lentamente. Assim, os alimentos são aquecidos uniformemente em utensílios de aço com base de cobre.

5) O gelo é coberto por sacos de lixo para evitar o derretimento do gelo. 

O material dos sacos plásticos é um mau condutor de calor. Além disso, o ar que preenche os poros dos sacos plásticos também é um mau condutor de calor. Portanto, o fluxo de calor de fora para o gelo não é permitido. Conseqüentemente, o gelo é impedido de derreter.

6) Sentimo-nos aquecidos com roupas de lã. 

A própria lã é um mau condutor de calor. Além disso, os poros das roupas de lã envolvem o ar. Este ar reduz a condutividade térmica das roupas. Portanto, as roupas de lã permitem que menos calor do nosso corpo flua para fora e, portanto, nos sentimos mais quentes.

7) Duas mantas finas são mais quentes do que uma manta simples com o dobro da espessura. 

Dois cobertores envolvem uma camada de ar entre eles. O ar sendo um mau condutor de calor reduz consideravelmente a condutividade térmica das mantas. Assim, a camada de ar entre dois cobertores permite que uma quantidade comparativamente menor de calor corporal flua para fora do que um único cobertor. Portanto, dois cobertores parecem mais quentes do que um único cobertor.

8) Sentimo-nos mais quentes com um casaco de pele. 

O ar encerrado no casaco de pele, sendo um mau condutor de calor, não permite que o calor do corpo flua para fora. Portanto, nos sentimos mais quentes em um casaco de pele.

9) Os pássaros costumam inchar suas penas no inverno. 

Ao fazer isso, eles prendem mais ar entre seus corpos e as penas. O ar, sendo um mau condutor de batida, impede o fluxo de calor de seu corpo. Assim, os pássaros se sentem mais quentes no inverno, inchando suas penas.

10) Uma colcha nova é mais quente do que a antiga. 

Em uma colcha nova, há vários poros no algodão. Esses poros contêm grande quantidade de ar. O ar sendo mau condutor de calor retarda o fluxo de calor do nosso corpo para o exterior. Assim, uma nova colcha parece mais quente. A colcha velha, devido ao uso contínuo, perde um pouco do ar. Assim, o fluxo de calor do nosso corpo para o exterior torna-se mais rápido. Conseqüentemente, uma colcha velha parece fria.

11) Os esquimós fazem casas de gelo com paredes duplas. 

O ar encerrado entre as paredes é um mau condutor de calor. Esse ar reduz o fluxo de saída de calor de dentro das casas. Assim, as pessoas que moram nessas casas se sentem mais aquecidas.

Exemplos de perguntas

Questão 1: Escreva o nome de três modos de transferência de calor.

Solução:

Condução, Convecção e Radiação.

Pergunta 2: O que é estado estacionário de calor?

Solução:

Quando não há transferência de calor entre as duas extremidades de uma substância, diz-se que o estado estacionário foi alcançado.

Pergunta 3: Por qual modo o calor chega do Sol à Terra?

Solução-:

Radiação.

Pergunta 4: Por que nos sentimos mais quentes em um casaco de pele?

Solução:

O ar encerrado no casaco de pele, sendo um mau condutor de calor, não permite que o calor do corpo flua para fora. Portanto, nos sentimos mais quentes em um casaco de pele.

Questão 5: Por que os utensílios de cozinha são feitos de alumínio e latão, enquanto seus cabos são feitos de madeira?

Solução:

O alumínio e o latão são bons condutores de calor. Assim, eles absorvem o calor do fogo mais rapidamente e, por sua vez, o fornecem ao alimento a ser cozido. Por outro lado, a madeira sendo um mau condutor de calor absorve menos calor e, portanto, os cabos ficam menos quentes. Portanto, podemos pegar os utensílios de cozinha quentes sem queimar as mãos.

Pergunta 6: No inverno, por que as cadeiras de ferro parecem mais frias do que as cadeiras de madeira?

Solução:

O ferro é um bom condutor de calor. Quando tocado, ele absorve o calor do nosso corpo e, portanto, começa a transferência de calor do nosso corpo para a cadeira de ferro. Como nosso corpo perde calor, sentimos frio. Por outro lado, a madeira é um mau condutor de calor. Portanto, a transferência de calor do nosso corpo para a cadeira de madeira é muito menor. Conseqüentemente, as cadeiras de madeira parecem menos frias do que as de ferro.

Pergunta 7: Escreva a fórmula dimensional da condutividade térmica.

Solução:

A fórmula dimensional da condutividade térmica é [MLT -3 K -1 ]