Condução térmica | Parte II

RKA- Olá, meu amigo ou minha amiga. Tudo bem com você? Seja muito bem-vindo ou bem-vinda à segunda parte da aula sobre condutividade térmica. Na primeira parte dessa aula, nós vimos que a condução térmica é o processo de transferência de energia que ocorre através de um meio material. E também vimos que ela ocorre quando a energia térmica ou calor se propaga de partícula para partícula desse meio material. E tudo isso vai ocorrer sem que haja o transporte de matéria. Bem, apesar da condução ocorrer nos líquidos e gases, ela é mais eficiente em materiais sólidos. E, por falar nisso, em relação à condução térmica, nós podemos classificar esses materiais em dois tipos: Maus condutores térmicos e bons condutores térmicos. Mas qual é a diferença entre eles? Bem, os maus condutores térmicos, que também costumam ser chamados de isolantes térmicos, conduzem muito mal calor através do processo de condução térmica. Já os bons condutores térmicos são aqueles que conduzem muito bem a energia térmica através desse processo. O legal é que essas propriedades de condutividade são apresentadas matematicamente através de um valor numérico chamado condutividade térmica do material E quanto maior for o seu valor, maior será a condutividade térmica de determinada substância. A condutividade térmica é medida em Joules por segundo, dividido por metro vezes kelvin. Não podemos esquecer que Joules é unidade de medida de energia ou calor. O segundo é a unidade de medida de tempo. O metro é a unidade de medida de distância. E o kelvin é a unidade de medida de temperatura. Bem, vamos observar aqui uma pequena tabela que nos mostra condutividade térmica de alguns materiais. Por exemplo, a prata possui 426 joules por segundo, por metro kelvin. Já o cobre tem uma condutividade térmica igual a 328 joules por segundo, por metro kelvin. O ferro possui uma condutividade térmica igual a 80,3 joules por segundo, por metro kelvin. A água possui algo em torno de 0,79 joules por segundo, por metro kelvin. E a madeira tem algo em torno de 0,12 joules por segundo, por metro kelvin. Olha só, o ar, que é um péssimo condutor de calor, possui uma condutividade térmica igual a 0,026 joules por segundo, por metro kelvin. Repare, meu amigo ou minha amiga, que dentre os materiais que eu apresentei aqui, a prata possui a maior condutividade térmica. Então, ela é um ótimo condutor de calor. Enquanto que o ar é um péssimo condutor calor, já que possui a menor condutividade térmica dentre essas substâncias que eu mostrei para você. Uma outra coisa também que é muito importante falar aqui com você, é que a condutividade térmica diz para gente o quanto de energia térmica que é conduzida por segundo para cada 1 metro de material e um kelvin de temperatura. Dessa forma, podemos ter uma expressão matemática para determinar o quanto de calor que é conduzido de um ponto a outro cada intervalo de tempo. Ou seja, o calor que a gente representa com a letra Q, dividido pelo intervalo de tempo que a gente representa com as letras Δt, é igual à condutividade térmica do material, que a gente representa com a letra K, vezes a área da seção reta do material, ou seja, a área na direção perpendicular em relação à direção que o calor está se propagando. E, normalmente, a gente representa essa área com a letra A. E, isso, vezes a diferença de temperatura entre dois pontos. Olha só, a gente costuma representar a temperatura com a letra T maiúscula. Mas você vai ver em muitos lugares que, normalmente, a temperatura é representada com a letra teta (θ) que é uma letra grega e é utilizada muitas vezes para que você não confunda temperatura com o tempo. Tudo bem? Aqui em nossa aula, vou usar o T maiúsculo para temperatura e o t minúsculo para tempo. Beleza? Bem, mas vamos lá. Eu coloquei aqui também "Ta" e "Tb" indicando que são as temperaturas em um ponto "a" e em um ponto "b". Tudo isso aqui dividido pela espessura do material, ou seja, o comprimento entre os pontos "a" e "b". Muito legal essa relação, não é? Ela, inclusive, é chamada de lei de Fourier e, a partir dela, podemos determinar o quanto de calor que é conduzido de um ponto a outro do material, a cada 1 segundo. Diga-se de passagem, a relação calor por temperatura é chamada de fluxo de calor. Então, quando realizamos esse cálculo, estamos determinando o fluxo de calor em um material. Por exemplo, vamos imaginar que uma sala de estúdio é mantida à temperatura de 20 graus Celsius, ou 293 kelvins e encontra-se separada de uma sala vizinha à temperatura ambiente de 30 graus Celsius, ou 303 kelvins, por uma janela retangular de vidro de 0,008 metros de espessura e uma área de 1,5 metros quadrados. Sabendo que a condutividade térmica do vidro é 0,80 joules por segundo, por metro kelvin, qual é o fluxo de calor que ocorre nessa janela? Bem, inicialmente, utilizando a lei de Fourier, nós podemos determinar esse fluxo de calor. Mas antes de determinar o fluxo de calor, eu quero perguntar aqui para você qual é o sentido do fluxo de calor? Ou seja, energia em forma de calor está fluindo da sala para o estúdio ou do estúdio para sala? Bem, como a temperatura na sala é maior que a temperatura no estúdio, o calor vai fluir da sala para o estúdio, já que o calor sempre influi daquele ponto de maior temperatura para o ponto de menor temperatura. Agora, vamos continuar aqui resolvendo o problema e determinar o fluxo de calor. O fluxo de calor é igual a K vezes "A", vezes a temperatura em "b" menos a temperatura em "a", dividido pelo comprimento da janela. Um detalhe, a temperatura aqui em "b" é a temperatura na sala vizinha. E a temperatura em "a" é a temperatura nesse estúdio. Vamos lá. Substituindo os valores, a gente vai ter aqui que K é igual a 0,8. A área é igual a 1,5, a temperatura na sala vizinha igual a 30 e a temperatura no estúdio é igual a 20. Tudo isso dividido por 0,008 que a espessura da janela. Você deve estar fazendo uma pergunta agora: "Professor, por que foi usado aqui a temperatura em graus Celsius e não em kelvin? Bem, meu amigo ou minha amiga, como nós estamos fazendo aqui uma diferença de temperatura, a gente pode utilizar em graus Celsius ao invés de kelvin, já que a variação de temperatura na escala Celsius é igual à variação de temperatura na escala Kelvin. Então, todas as vezes que a gente estiver determinando uma variação de temperatura, nós podemos utilizar a variação de temperatura tanto na escala Celsius quanto na escala Kelvin, já que, como as duas escalas são centígradas, as duas escalas possuem a mesma variação de temperatura. Ou seja, se a temperatura variou 10 kelvins, também sofreu uma variação de 10 graus Celsius. Então, por esse motivo que, aqui na diferença de temperatura, eu utilizei em graus Celsius e não em Kelvin. Mas, repare que se a gente tivesse feito a diferença de temperatura com essas temperaturas medidas em kelvin, a gente chegaria ao mesmo valor. Então, esse fluxo de calor é igual a 0,8, vezes 1,5, vezes 30, menos 20 que é igual a 10, dividido por 0,008. Bem, fazendo essa continha aqui, a gente vai chegar a um valor igual a 1.500 joules por segundo. Esse é o fluxo de calor dessa janela. Ou seja, são transmitidos 1.500 joules de energia em forma de calor, a cada um segundo, através dessa janela entre os dois ambientes. Bem, poderíamos determinar aqui também, o quanto de calor que atravessa janela a cada intervalo de tempo. Por exemplo, qual foi a energia transmitida em forma de calor através dessa janela em um minuto? Ou seja, em 60 segundos? A gente pode utilizar a expressão do fluxo de calor que é igual a: calor dividido pelo intervalo de tempo. Assim, a gente tem que o calor é igual ao fluxo de calor vezes o intervalo de tempo. O fluxo de calor a gente já tem que é 1500 joules por segundo. Então, a gente vai pegar esse 1.500 e vai multiplicar com o intervalo de tempo, que é quanto? 60. A gente vai sempre utilizar o intervalo de tempo em segundos porque a condutividade térmica foi medida em segundos. Então, a gente tem aqui 1.500 vezes 60 que é igual a quanto? É igual a 90 mil. Então, em um minuto, 90.000 joules de energia em forma de calor foram transmitidos, foram propagados através dessa janela. Mas, enfim. Vamos continuar aqui agora porque a nossa aula nem é para falar muito sobre esse cálculo, mas sim a diferença entre os bons condutores e os maus condutores de calor. Por isso, é importante que você saiba que quanto maior for a condutividade térmica do material, maior será o fluxo de calor e mais rápido o calor vai se propagar através do material. Isso é muito legal porque essas propriedades de condutividade térmica são muito utilizadas para construir utensílios e equipamentos para o uso em nosso dia a dia. Por exemplo, ao se construir uma panela é preciso utilizar o material que tenha boa condutividade térmica, o ferro por exemplo. Pois o objetivo da panela é propagar o calor fornecido pelo fogo até o alimento para que ele possa ser preparado. Agora, porque utilizamos cobertores de algodão em um dia muito frio? Porque o algodão tem baixa condutividade térmica e, por isso, ele dificulta a propagação de calor do seu corpo para o ambiente em um dia muito frio. Existem diversos outros equipamentos ou utensílios que utilizamos para ajudar a propagar o calor ou impedir a propagação de calor e, dependendo do objetivo de cada um deles, vamos utilizar materiais com alta ou baixa condutividade térmica. Faça um pequeno exercício agora. Liste diversos utensílios que você utiliza e faça uma pesquisa sobre a condutividade térmica da substância, ou seja, do material de que esse equipamento é feito. E diga, depois, se faz sentido essa condutividade térmica para o objetivo principal desse material. Enfim, eu espero que você faça mesmo esse exercício, tudo bem? Quero aproveitar aqui o momento, meu amigo ou minha amiga e deixar para você um grande abraço e dizer que a gente se encontra no próximo vídeo.