Um dos principais tópicos de estudo da termodinâmica é a transmissão de calor. O calor pode ser transmitido entre corpos, e a sua propagação ou transmissão de calor ocorre basicamente por três processos distintos: condução, convecção e irradiação.
Esses processos ocorrem todo o tempo à nossa volta. A termodinâmica, contudo, diferencia os processos de troca de calor e estabelece características que levam a essa transmissão. O calor é energia e a transmissão ou transferência de calor ocorre sempre que existe uma diferença de temperatura entre dois corpos ou ambientes.
Condução térmica
Você já deve ter notado que, quando deixamos uma colher metálica dentro de um recipiente em uso para cozimento de certo alimento, ela se aquece rapidamente, provocando, em alguns casos, queimadura nas pessoas. O calor é transferido – especialmente visível quando nos queimamos – a partir do toque.
Um objeto em determinada temperatura entra em contato com outro em temperatura maior, e a energia é transmitida, átomo a átomo ou molécula a molécula, entre os corpos. Esse mecanismo é chamado de condução térmica.
A temperatura é decorrente da agitação das partículas de um corpo. Quanto maior a temperatura, mais as moléculas e átomos vibram. Essas vibrações são transmitidas a outros átomos e moléculas, que elevam sua atividade e dissipam maior energia térmica. Ou seja, o calor é conduzido entre as partículas.
Condutores e isolantes térmicos
O processo de transmissão de calor por condução ocorre praticamente em todos os corpos materiais. Em alguns, porém, esse processo é mais intenso que em outros. Há determinados corpos e meios menos suscetíveis à transmissão de calor. Podemos atestar isso quando, por exemplo, deixamos uma colher algum tempo dentro de uma panela fervendo. Quando a colher é metálica, se tocamos no cabo pouco tempo depois há enorme possibilidade de nos queimarmos. Quando a colher é, contudo, de madeira, ela não aquece tão depressa.
O valor do coeficiente de condutibilidade térmica é muito útil para determinar se um corpo é um condutor térmico ou um isolante térmico.
Quanto maior for o valor de k, melhor condutor de calor será o material, caracterizando os condutores térmicos. E, quanto melhor condutor o material for, mais rápido será aquecido quando em contato com outros corpos em maior temperatura.
Quanto menor for o valor de k, pior condutor de calor será o material, caracterizando os isolantes térmicos.
Convecção térmica
A convecção é um processo de transmissão de calor que ocorre a partir da movimentação de uma massa fluida, gasosa ou líquida, de uma região para outra, devido à diferença de densidade. Se na condução lidamos com uma transmissão estática entre os corpos, na convecção o processo ocorre de forma dinâmica.
Normalmente, temperaturas diferentes é que causam essa diferença de densidade entre as regiões. Fluidos ou meios em maior temperatura geralmente possuem menor densidade. Quando esfriam, a densidade aumenta. Um exemplo simples disso são as massas de ar. A diferença de temperatura entre regiões distintas na atmosfera e no ar promove uma movimentação das massas de ar por diferença de densidade. Por essa razão somos atingidos, muitas vezes, por “frentes frias” ou massas de ar quente.
Ao ser resfriado, o ar sofre diminuição na vibração de suas moléculas, o que acarretará contração no seu volume e, consequentemente, aumento na sua densidade. O ar frio “pesa” mais e desce, provocando a elevação do ar quente, menos denso. Isso produz um fenômeno chamado de corrente de convecção.
Mas o ar não é o único fluido que apresenta esse comportamento. O mesmo ocorre se colocarmos um pouco de água com serragem em uma panela de vidro e levarmos para ferver. Veremos as correntes de convecção dentro da vasilha, fazendo a serragem subir pelo centro e descer pelas laterais. Nos mares e oceanos, diferenças de temperatura produzem correntes marítimas.
Irradiação
A irradiação ou radiação é também um processo de transmissão de calor. Essa transferência de calor ocorre através de ondas eletromagnéticas, preferencialmente de radiação infravermelha. A energia em forma de ondas permite que a transmissão de calor ocorra mesmo que os dois corpos com o diferencial de temperatura não estejam em contato.
Embora o exemplo mais nítido da irradiação seja a forma com que o Sol aquece a superfície terrestre, esse fenômeno também ocorre em escala menor.
Como, porém, o calor se propagou?
No final do século XIX, em 1866, o físico alemão Heinrich R. Hertz (1857-1894), inspirado nelas análises matemáticas do físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879), provou experimentalmente que partículas com carga elétrica, quando vibram, lançam energia na forma de onda. As ondas se propagam rapidamente e carregam em si energia.
Essa onda é chamada de onda eletromagnética e pode se propagar através de corpos sólidos, líquidos ou gasosos e, particularmente, no vácuo, onde ela o faz com extrema velocidade, acompanhando a luz solar. A própria luz, em si, é uma forma de onda eletromagnética.
Esse fenômeno, chamado radiação ou irradiação, é o terceiro processo de transferência de calor. Não é só o Sol, porém, que emite radiação. Todos os corpos emitem e absorvem radiação. Quando um corpo absorve a mesma quantidade de radiação que está emitindo, diz-se que ele está em equilíbrio térmico.
O calor transmitido em forma de onda depende diretamente da capacidade de absorção do corpo que recebe a radiação. Por exemplo, você provavelmente já notou que superfícies brancas, expostas ao Sol, não atingem uma temperatura tão grande. Superfícies negras, contudo, que são incapazes de refletir a radiação luminosa, terminam absorvendo uma quantidade muito maior de energia e aquecem rapidamente.
A radiação pode ser definida em função da frequência ou do comprimento de onda, e a algumas radiações são visíveis a olho nu. O espectro eletromagnético mostra as cores visíveis associadas a seus comprimentos de onda.
Referências:
- SAA, Alberto. Transmissão de calor. 2006.
- LAGE, Eduardo. A radiação térmica. Revista de Ciência Elementar, v. 8, n. 3, 2020.
Por: Carlos Artur Matos
