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Vídeo da aula: Condução e Convecção Física • 9º Ano

Nesta aula, vamos aprender como descrever a transferência de valor num material sólido por via da condução e definir os fatores que determinam a eficiência do isolamento.

11:26

Transcrição do vídeo

Neste vídeo, estamos a aprender sobre condução e convecção. Estes são dois processos térmicos que nos ajudam a entender como o calor é transferido entre sólidos, líquidos e gases. Vamos começar por considerar a condução. Esta é a transferência de calor entre objetos que estão em contato, que se tocam.

Para ter uma ideia de como a condução funciona, digamos que temos uma grande câmara que é dividida em duas partes por uma divisória deslizante. Os dois lados da câmara possuem gases diferentes. O gás à esquerda é aquecido a uma temperatura alta, de modo que as moléculas se movem muito mais rapidamente do que o gás à direita, que é um gás muito mais frio. Poderíamos dizer que a temperatura do gás à esquerda — o que podemos chamar de 𝑇 índice 𝐿 — é maior que a temperatura do gás à direita, 𝑇 índice 𝑅. E sabemos disso porque a velocidade média das moléculas no gás à esquerda é superior à velocidade média das moléculas no gás à direita. Então, num lado da câmara, temos um gás relativamente quente. E no outro lado, temos um gás relativamente frio.

Agora, digamos que deslizamos a nossa divisória fora do caminho para que a câmara seja agora um grande espaço sem divisões. Quando fazemos isso, estes dois gases começam a misturar-se. E, a dada altura, como vemos aqui, uma das partículas de um gás colidirá com uma partícula de outro gás. Quando isso acontece, a partícula mais energética — neste caso a rosa — transfere parte da sua energia para a partícula menos energética — a dourada. Isso significa que, após a colisão, a partícula rosa terá perdido parte da sua energia e a partícula dourada terá ganho essa energia. Vai mover-se mais rápido.

Como isso acontece numa escala macroscópica para colisões de muitos milhares de partículas de gás, o efeito geral é que a temperatura dentro desta câmara começa a estabilizar. As partículas quentes e de movimento rápido ficam mais lentas e as partículas de movimento lento são aceleradas. Como esta transferência de calor ocorre entre objetos que estão em contato um com o outro — neste caso, colidindo moléculas de gás —, este é um exemplo de condução da transferência de calor entre objetos em contato.

Agora, neste exemplo, mostram-nos a condução a acontecer entre moléculas de gás. Mas, na verdade, a condução é muito mais eficiente quando opera num sólido. Para ver por que assim é, vamos substituir o gás no lado direito da nossa câmara por um material sólido, algo com uma estrutura atómica regular. Neste caso, cada um destes pontos verdes representa um único átomo na estrutura deste sólido. Neste caso, quando uma das nossas moléculas de gás quente colide com um dos átomos deste sólido, assim como antes, a molécula de gás relativamente mais quente perde um pouco de energia na interação, enquanto o outro átomo envolvido na colisão — aquele no sólido — ganha energia.

Até agora, isto não é diferente do que aconteceu quando tínhamos dois gases diferentes a colidir um com o outro. A diferença acontece quando o nosso átomo recém-energizado na estrutura atómica começa a vibrar e a transferir parte da sua energia para os átomos na estrutura vizinha. E, em seguida, estes átomos, depois de energizados, começam a vibrar e a transferir esta energia para os átomos circundantes na estrutura. Com o tempo, há um fluxo total de energia da frente do sólido para a parte traseira. E isso acontece com bastante eficiência, porque todos os elos da cadeia, por assim dizer, estão muito próximos.

Começamos a ver então por que é que a condução funciona melhor em sólidos, ou seja, com mais eficiência do que em gases ou líquidos. Quando a condução acontece num gás, duas moléculas em colisão — digamos esta e esta — transferem energia entre elas. Mas precisam então de ter outra colisão para passar essa transferência de energia para outras moléculas. Num material sólido, por outro lado, uma única colisão pode energizar muitos átomos diferentes através de um efeito dominó. Isso acontece porque todos estes átomos estão ligados numa estrutura ordenada.

Se continuarmos a desenvolver esta ideia de que a condução envolve transferência de calor entre objetos em contato, podemos ver que quanto mais contato houver dentro de um objeto, melhor este conduzirá o calor. E, de facto, existe uma maneira de aumentarmos ainda mais o nível de contato entre objetos no sólido. Isso acontece porque conhecemos uma classe de materiais sólidos conhecidos como condutores. A propriedade importante dos átomos que são condutores é que têm eletrões livres para se afastar desses átomos. Isso significa que, quando reunimos um monte de átomos condutores, digamos numa estrutura como a que temos aqui, o que obtemos é um monte de objetos móveis — estes eletrões livres — a mover-se dentro do sólido.

Todos estes eletrões em movimento significam que o calor pode ser transferido ainda mais facilmente neste material. Isso porque agora, para que qualquer átomo na estrutura seja energizado, digamos este aqui, não precisa mais de estar em contato direto com outro átomo energizado. Em vez disso, pode ser energizado por um eletrão móvel captado do encontro com outro átomo energizado à frente ou na parte aquecida do sólido. O efeito total destes eletrões móveis é que aceleram ainda mais a transferência de calor por todo este material.

Se pensarmos nesta ideia de que ter muitas cargas móveis num sólido ajuda a acelerar o fluxo de calor neste sólido, faz sentido. Átomos que possuem estes eletrões móveis são metais. E se alguma vez colocarmos a mão na pega de metal ligada a uma travessa de metal quente, sabemos por experiência que essa pega pode ser dolorosamente quente. Mas, ao mesmo tempo, sabemos que, dependendo do material de que a pega é feita, pode estar quente demais para tocar ou perfeitamente bem para segurar. Tudo isso depende do que é chamado de condutividade térmica de um material; isto é, a capacidade do material de conduzir calor.

Vimos que, em geral, a condutividade térmica dos gases é bastante baixa. Não são muito bons a conduzir calor. E líquidos normalmente também não são muito bons. Os sólidos são muito melhores e os metais são os melhores de todos. Embora os sólidos sejam melhores condutores em geral do que líquidos e gases, ainda existem materiais sólidos com os quais podemos manipular e ser seguro tocar. Por exemplo, se já utilizou uma colher de pau para cozinhar, sabe que esse material sólido é confortável de segurar, mesmo quando parte dele aquece.

Quando encontramos um material como a madeira que não faz um bom trabalho na condução de calor, chamamos este material de isolante. Um isolante é um material que resiste à condução de calor. Exemplos de isolantes razoavelmente bons incluem papel, ar e água. Agora que falámos sobre condução, a transferência de calor entre objetos que estão em contato, vamos falar sobre o segundo modo de transferência de calor.

Convecção é a transferência de calor pelo movimento de fluidos do quente para o frio. E quando falamos de fluidos, sabemos que isso abrange dois tipos de matéria: gases e líquidos. Aqui está um exemplo de convecção. Digamos que temos uma sala cheia de moléculas de ar, basicamente todas à mesma temperatura. Em seguida, colocamos um aquecedor na sala e ligamo-lo para que ele comece a irradiar calor para o ambiente. O que isso significa é que as moléculas de ar próximas ao aquecedor começarão a aquecer. E, à medida que aquecem, começam a mover-se mais rapidamente.

À medida que a velocidade geral aumenta, tendem a subir na sala em direção ao teto. Quando fazem isso, o espaço ao redor do aquecedor está agora bastante vazio. E isso cria uma oportunidade para que outras moléculas de temperatura média se aproximem. Agora que estão mais próximas do aquecedor, essas moléculas também começam a aquecer. E mais uma vez, graças à sua temperatura relativa mais alta, estas movem-se em direção ao teto. E mais uma vez, isso cria uma oportunidade para as moléculas mais frias da sala se aproximarem do aquecedor.

O que estamos a ver então é um movimento geral de moléculas de ar de temperatura mais alta em direção ao teto da sala e moléculas de ar mais frias em direção ao chão da sala. Este movimento geral ou global destas moléculas de ar é conhecido como convecção. E podemos ver agora por que dissemos que a convecção tem a ver com o movimento de fluidos, gases e líquidos, mas não sólidos. A estrutura atómica de um sólido evita o movimento de átomos individuais dentro dessa estrutura. Por outro lado, não existe esta restrição para gases e líquidos.

A convecção é um dos principais métodos de transferência de calor para grandes corpos de fluidos, como a atmosfera ou os oceanos. Baseia-se na mobilidade de moléculas individuais e no facto de que moléculas de temperaturas mais altas tendem a mover-se de uma maneira, enquanto moléculas mais frias ou mais lentas tendem a mover-se de outra maneira. Desta forma, os fluidos misturam-se e o calor é transferido por convecção. Agora que conversámos um pouco sobre estes dois métodos de transferência de calor, vamos considerar um exemplo de exercício.

A Amelia envolve três copos em materiais diferentes. Ela então enche os copos com água a 100 graus Celsius. Ela mede a temperatura da água em cada copo 30 minutos depois. Os seus resultados são os apresentados na tabela. Qual foi o melhor material isolante? Qual foi o pior material isolante?

Ok, então o que temos aqui é uma experiência que envolve três copos de água. Então, digamos que aqui estão os nossos copos. Agora dizem-nos que estão embrulhados em materiais diferentes. Um dos copos é embrulhado em feltro, o outro é embrulhado em papelão e o terceiro copo em papel alumínio. Depois disso, todos os copos são enchidos com água a 100 graus Celsius, que está a ferver. Então, 30 minutos depois, a temperatura da água em cada um dos três copos é medida. Esta temperatura medida é registada na linha inferior desta tabela de dados. Com base nisso, queremos saber qual destes três materiais foi o melhor isolante e qual foi o pior.

Para descobrir isso, queremos saber o que é um isolante em primeiro lugar. Um isolante é um material que resiste à transferência de calor. Todos conhecemos isolantes. Por exemplo, cada um de nós provavelmente já utilizou uma luva de forno, que é um material isolante para lidar com pratos quentes no fogão. Portanto, destes três materiais — feltro, papelão e papel alumínio — o melhor isolante será aquele que mais resistir à transferência de calor da água. A água no copo com o melhor isolante será a água que diminuirá menos a temperatura; isto é, reterá o máximo da sua energia térmica. Isso significa que a temperatura mais alta da água indicará o melhor copo isolado.

Olhando para a nossa tabela, vemos que na linha inferior, 38 graus é a temperatura mais alta da água após 30 minutos. Isso diz-nos que o copo envolto neste papelão é melhor isolado. Então, escrevemos isso como a nossa resposta para o melhor isolante. É o papelão. E a seguir, passamos a considerar qual foi o pior material isolante. O pior isolante fará o oposto de um bom isolante. Isso permitirá que grande parte do calor da água se disperse. O resultado dessa dissipação de calor será que a temperatura da água será mais baixa.

Olhando novamente para a linha inferior da nossa tabela de dados, vemos que a temperatura mais baixa medida da água é de 25 graus Celsius. Isso corresponde ao copo envolto em papel de alumínio. Como esta água arrefeceu ao longo do intervalo de meia hora, 75 graus Celsius, isso significa que é menos isolada. Ou, por outras palavras, está envolta no pior isolante. E este pior isolante é a folha de alumínio, com base no facto de que a água no copo envolto em folha de alumínio arrefeceu mais.

Vamos dedicar um momento para resumir o que aprendemos sobre condução e convecção. Nesta aula, aprendemos que a condução é a transferência de calor entre objetos que estão em contato. Vimos que gases e líquidos não são bons condutores em geral. Mas sólidos são muito melhores condutores e metais ainda melhores. A medida da capacidade de um determinado material de conduzir calor é conhecida como condutividade térmica. Este é um valor que podemos procurar numa tabela ou ser informado sobre um determinado material.

Vimos ainda que um isolante é um material que resiste à transferência ou ao fluxo de calor. Um bom isolante é o oposto de um bom condutor. E, finalmente, vimos que a convecção — outro método de transferência de calor — ocorre quando o calor é movido pelo movimento de líquidos e gases — ou seja, fluidos — de áreas com temperatura mais alta para áreas com temperatura mais baixa.

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