Condução térmica

Condução térmica ou simplesmente condução é um processo de transferência de calor que ocorre no interior de sólidos, em razão de uma diferença de temperatura. Na condução, a energia térmica é transferida entre os átomos e moléculas de um sólido sem que ocorra transferência de matéria, até que se atinja a condição de equilíbrio térmico.

Esse fenômeno acontece em todas as substâncias, independentemente do seu estado físico, apesar de mais frequente em sólidos. Isso acontece porque, no estado sólido, a posição fixa dos átomos, que se encontram arranjados em uma rede cristalina, favorece o intercâmbio de energia entre os átomos em razão da frequência em que ocorrem as colisões entre essas partículas.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Como ocorre a condução térmica?
• 2 - Isolantes e condutores térmicos
• 3 - Diferenças entre condução, convecção e radiação
• 4 - Fluxo de calor ou Lei de Fourier
• 5 - Exercícios sobre condução térmica

Como ocorre a condução térmica?

O processo de condução térmica é caracterizado pela interação entre átomos de diferentes temperaturas. Quando aquecemos algum corpo, seus átomos passam a oscilar com maior amplitude. Esses átomos mais agitados transferem parte da sua energia cinética para os átomos vizinhos por colisões e vibrações, dessa maneira, eles se desaceleram, enquanto os menos agitados ganham velocidade. Por meio desse mecanismo, o calor é gradualmente transferido das regiões de maior temperatura em direção às regiões de menor temperatura, até que todo o sistema encontre-se na mesma temperatura.

Nos gases, por exemplo, a transferência de calor por condução ocorre exclusivamente por meio de colisões entre átomos. Nos sólidos não metálicos, a condução térmica acontece por meio de vibrações ao longo da rede cristalina do material. Nos sólidos metálicos – os melhores condutores de calor –, a condução ocorre tanto pela propagação de vibrações da rede cristalina como pela movimentação caótica de elétrons livres.

Isolantes e condutores térmicos

Diferentes estados da matéria transmitem calor por meio de mecanismos diferentes. Os materiais chamados de condutores, por exemplo, são aqueles capazes de transferir calor com grande facilidade – é o caso da maioria dos metais. Os materiais isolantes, por sua vez, são aqueles que dificultam a passagem de calor, como o isopor, a borracha, a madeira etc.

Diferenças entre condução, convecção e radiação

Condução, convecção e radiação são as três diferentes formas de propagação do calor. O ponto em comum entre esses três processos é que deve haver uma diferença de temperatura entre diferentes corpos ou em diferentes pontos do mesmo corpo.

A condução, como dito, ocorre pelo contato direto entre moléculas, que, ao colidirem, transferem energia cinética para suas moléculas vizinhas. Nesse tipo de transferência de calor, não há transporte de matéria. A convecção, por sua vez, ocorre exclusivamente em fluidos e, assim como na condução, só ocorre em meios materiais. A diferença entre a condução e a convecção é que, nesta, há transporte de massa pelas correntes convectivas. A radiação é a transferência de calor por ondas eletromagnéticas, logo, esse processo de transferência de calor pode acontecer no vácuo.

Fluxo de calor ou Lei de Fourier

A quantidade de calor que é transferida entre dois pontos do interior de corpos, a cada segundo, é chamada de fluxo de calor. Esse conceito diz respeito à rapidez em que o calor é transferido no interior de um corpo. Alguns materiais apresentam grande capacidade de transferência de calor, por isso, dizemos que são bons condutores de calor, já que são capazes de dissipá-lo mais rapidamente.

O fluxo de calor, que é definido em função de uma constante k, é medido em watts (W), de acordo com o Sistema Internacional de Unidades, mas também pode ser medido em calorias por segundo. Esse fluxo de energia é proporcional à diferença de temperatura entre dois pontos de um corpo e corresponde à quantidade de energia que flui, na forma de calor, a cada metro quadrado de superfície, durante o intervalo de tempo de um segundo.

A fórmula utilizada para o cálculo da condução térmica, também conhecida como fórmula do fluxo de calor ou Lei de Fourier é a seguinte:

Φ – fluxo de calor (cal/s ou W)

Q – calor (cal ou J)

Δt – intervalo de tempo (s)

A – área (m² ou cm²)

T₂ e T₁ – temperatura dos pontos 1 e 2 (K ou ºC)

k – coeficiente de condutividade térmica (J/s.m.K ou cal/s.cm.ºC)

O coeficiente de condutividade térmica (k) determina se um corpo é ou não bom condutor de calor. Esse coeficiente diz respeito a um grande número de propriedades da matéria, como a temperatura, estado físico, pureza, densidade etc. Além disso, a fórmula mostra que a quantidade de calor Q que flui através de uma área A, durante um intervalo de tempo Δt, é proporcional à diferença de temperatura (T₂ - T₁) entre as duas faces dessa área e também inversamente proporcional à espessura e, que as separa. Observe o esquema a seguir, que mostra a condução térmica em um meio sólido, de acordo com as variáveis apresentadas:

Exercícios sobre condução térmica

Questão 1) Durante um dia ensolarado, uma grande quantidade de calor – cerca de 180 cal – passa através das janelas de um veículo que ficou estacionado em um local aberto, durante um tempo de 15 minutos. Determine o fluxo de calor através das janelas desse veículo nessa situação.

a) 10.000 cal/s

b) 2000 cal/s

c) 50 cal/s

d) 300 cal/s

e) 500 cal/s

Gabarito: Letra B

Resolução:

Para resolver o exercício, basta calcular a quantidade de calor que passa através das janelas do veículo a cada segundo. Observe:

De acordo com o cálculo feito, cerca de 2000 calorias passam pelas janelas do veículo a cada segundo, portanto, a alternativa correta é a letra B.

Questão 2) Assinale a alternativa em que ocorre exclusivamente condução de calor:

a) Água quente sendo misturada com água fria.

b) Papel sendo queimado pela luz solar, concentrada por uma lupa.

c) Ferro de passar roupa queimando uma camisa.

d) Vapor de água cozinhando um vegetal.

Gabarito: Letra C

Resolução:

Entre os processos listados, o primeiro é uma transmissão de calor por convecção; em seguida, temos radiação, na letra B; condução, na letra C; por fim, na última alternativa, convecção novamente. Logo, a alternativa correta é a letra C.

Por M.e Rafael Helerbrock
Professor de Física