TERMOMETRIA CALORIMETRIA E TERMODIN MICA Aula 5 Maria

TERMOMETRIA, CALORIMETRIA E TERMODIN MICA – Aula 5 Maria Augusta Constante Puget (Magu)

Mecanismos de Transferência de Calor (1) �A propagação do calor pode ocorrer por três processos diferentes: 1. Condução. 2. Convecção. 3. Irradiação. �Qualquer que seja o processo, a transmissão do calor obedece à seguinte lei geral: Espontaneamente, o calor sempre se propaga de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor temperatura. 2

Fluxo de Calor (1) � 3

Fluxo de Calor (2) � 4

Condução Térmica (1) �Se seguramos a extremidade A de uma barra de ferro AB, levando a outra extremidade a uma chama, após um intervalo de tempo relativamente curto, a extremidade que seguramos estará quente. �Este processo de propagação de calor é chamado de condução térmica. �A propagação por condução exige a presença de um meio material para ocorrer. 5

Condução Térmica (2) �Os átomos da barra que estão em contato com a chama adquirem energia cinética extra e, vibrando mais intensamente, interagem com os átomos vizinhos que, sucessivamente interagem com outros, propagando o calor por toda a extensão da barra. 6

Condução Térmica (3) �Um exemplo familiar é o da panela com água que colocamos sobre uma chama. Neste caso, o calor se transmite da chama para a água através da parede metálica da panela, por condução. �Todas as leis básicas da condução de calor podem ser ilustradas por este exemplo: 1. O fluxo do calor é proporcional à diferença de temperatura T: A água ferve mais depressa se a temperatura da chama for mais alta. 7

Condução Térmica (4) 2. O fluxo do calor é inversamente proporcional à espessura x da chapa metálica: Quanto mais espesso o fundo da panela, mais tempo leva para ferver a água. 3. O fluxo do calor é proporcional à área A através da qual o calor está fluindo: Quanto maior a área do fundo da panela, mais rapidamente a água 8

Condução Térmica (5) � 9

Coeficiente de Condutividade Térmica (1) � 10

Coeficiente de Condutividade Térmica (2) � 11

Coeficiente de Condutividade Térmica (3) 12

Lei da Condução Térmica (1) � 13

Lei da Condução Térmica (2) � 14

Condução Através de uma Parede Composta (1) �A figura abaixo exibe uma parede composta, formada por dois materiais com diferentes espessuras L 1 e L 2 e diferentes condutividades 1 e 2. �As temperaturas das faces externas da parede são TQ (fonte de calor) e TF (sorvedouro de calor). �Cada face da parede possui uma área A. L 2 Reserv a-tório quente à TQ k 2 L 1 Q Tx k 1 Reserv a-tório frio à TF 15

Condução Através de uma Parede Composta (2) �Deseja-se deduzir uma expressão para a taxa de condução (fluxo de calor) através da parede supondo que a transferência seja um processo em regime permanente. �Em regime permanente, a taxa de condução através dois materiais deve ser igual. L 2 Reserv a-tório quente à TQ k 2 L 1 Q Tx k 1 Reserv a-tório frio à TF 16

Condução Através de uma Parede Composta (3) � L 2 Reserv a-tório quente à TQ k 2 L 1 Q Tx k 1 Reserv a-tório frio à TF 17

Condução Através de uma Parede Composta (4) � L 2 Reserv a-tório quente à TQ k 2 L 1 Q Tx k 1 Reserv a-tório frio à TF 18

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica (1) � 19

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica (2) � 20

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica (3) � 21

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica (4) �Dada esta analogia, é comum a utilização de uma notação semelhante a usada em circuitos elétricos, quando representamos a resistência térmica de uma parede ou associações de paredes. �Assim, uma parede de resistência R, submetida a um potencial T e atravessada por um fluxo de calor pode ser representada assim : 22

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Associação em Série (1) � 23

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Associação em Paralelo (1) �Consideremos um sistema de paredes planas associadas em paralelo, submetidas a uma fonte de calor de temperatura constante e conhecida TQ, de um lado e a um sorvedouro de calor, também de temperatura constante e conhecida TF, do outro lado. �Assim, haverá a transferência de um fluxo de calor contínuo no regime permanente através da parede composta. 24

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Associação em Paralelo (2) � 25

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Associação em Paralelo (3) � 26

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Associação em Paralelo (4) � 27

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Exemplo (1) �Calcular o fluxo de calor na parede composta abaixo, considerando a dimensão não representada igual a 1 cm: onde: 28

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Exemplo (2) �Usando a analogia elétrica, o circuito equivalente à parede composta é : �Calculando-se as resistências térmicas de cada parede individual, temos: RA = 0, 0025 h. 0 C/cal RC = 1/40 h. 0 C/cal RB = 1/40 h. 0 C/cal RD = 1/60 h. 0 C/cal 29

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Exemplo (3) � 30

Analogia entre Resistência Térmica e Resistência Elétrica – Exemplo (4) � 31

Variação da Condutividade Térmica com a Temperatura (1) �A condutividade térmica dos materiais varia com a temperatura. Esta variação é mostrada no gráfico abaixo para alguns materiais: 32

Isolamento Térmico (1) �O isolamento térmico é uma importante aplicação relacionada com a condução. �No cotidiano, utilizam-se materiais isolantes térmicos para minimizar a transferência de calor entre corpos a diferentes temperaturas. Ex: Geladeiras de isopor, agasalhos feitos de material isolante, cabos de panela, paredes de fogões e refrigeradores, isolados do exterior por materiais como lã de vidro e poliuretano. 33

Escolhendo materiais (1) �Roupa "quente" ou "fria"? É a roupa que é quente? �O frio que sentimos no inverno é devido às perdas de calor do nosso corpo para o meio ambiente que está a uma temperatura inferior. �A roupa de lã não produz calor, mas isola termicamente o nosso corpo, pois mantém entre suas fibras uma camada de ar. �A lã, que tem baixo coeficiente de condutividade térmica, diminui o processo de troca de calor entre nós e o ambiente. �Esse processo deve ser facilitado no verão com o uso de roupas leves em ambientes refrigerados. 34

Escolhendo materiais (2) �Apesar de perdermos calor constantemente, o nosso organismo se mantém a uma temperatura por volta de 36, 5 o. C devido à combustão dos alimentos que ingerimos. Somos homeotérmicos. �Por que os passarinhos e os roedores estão sempre comendo? Por estar em constante movimento, esses animais pequenos necessitam proporcionalmente de mais alimentos que um ser humano, se levarmos em conta o seu peso. �É através da superfície que um corpo perde calor. Um animal pequeno tem maior superfície que um de grande porte, proporcionalmente ao seu peso, e é por isso que tem necessidade de 35 comer mais.

Perdas de Calor pelo Corpo (1) � A transferência de calor no corpo humano envolve uma combinação de mecanismos que, juntos, mantém uma temperatura notavelmente constante e uniforme, apesar de grandes variações nas condições ambientais. � Como já foi mencionado, o principal mecanismo interno é a convecção forçada, com o coração servindo de bomba e o sangue como fluido circulante. � As trocas de calor com o ambiente envolvem condução, convecção e radiação, em proporções que dependem das circunstâncias. � A perda total de calor pelo corpo humano é da ordem de 2 000 a 5 000 kcal por dia, dependendo da atividade. � Um corpo nu em ar parado perde aproximadamente metade de seu calor por irradiação. � Sob condições de vigorosa atividade e grande transpiração, o mecanismo dominante é resfriado por evaporação. 36

Valor Energético dos Alimentos (1) 37

Convecção Térmica (1) �Convecção consiste no transporte de energia térmica de uma região para a outra por meio do transporte de matéria, o que só pode ocorrer nos fluidos (líquidos e gases). �A movimentação das diferentes partes do fluido ocorre pela diferença de densidade que surge em virtude do seu aquecimento ou resfriamento. 38

Convecção Térmica (2) �Quando uma certa massa de um fluido é aquecida suas moléculas passam a mover-se mais rapidamente, afastando-se, em média, uma das outras. �Como o volume ocupado por essa massa fluida aumenta, a mesma torna-se menos densa. �A tendência dessa massa menos densa no interior do fluido como um todo é sofrer um movimento de ascensão. �A parte do fluido mais fria (mais densa) movese para baixo tomando o lugar que antes era ocupado pela parte do fluido anteriormente aquecido. �Esse processo se repete inúmeras vezes, enquanto o aquecimento é mantido, dando origem às chamadas correntes de 39

Convecção Térmica (3) �A convecção pode ser: Natural: Quando calor é transferido pela circulação de fluidos devido a mudanças de densidade induzidas pelo próprio calor. 2. Forçada: Quando o movimento é causado por um agente externo, como uma bomba ou um ventilador. 1. 40

Convecção Térmica (4) �Aplicações e consequências da convecção térmica: 1. Devido à diferenças de temperatura em diferentes pontos da atmosfera, estabelecem-se correntes de convecção ascendentes de ar quente. Planadores, asas-deltas e outros veículos não motorizados movimentam-se no ar graças a essas correntes. O veículo só ganha altitude quando alcança uma corrente quente ascendente, pois em voo planado está sempre descendo. Também os pássaros procuram igualmente térmicas ascendentes. 41

Convecção Térmica (5) Para se resfriar um ambiente de forma mais eficiente, esse resfriamento deve ser feito a partir da região superior, porque o fluido frio tende a descer. Por isso o ar condicionado deve ser colocado no alto. 3. Já para se aquecer um ambiente, devese colocar o aquecedor no solo. 2. 42

Convecção Térmica (6) 4. A água, tendo um alto calor específico, sofre variações de temperatura relativamente pequenas. Assim, numa região litorânea, a terra se aquece mais do que o mar, durante o dia. O ar em contato com a terra se aquece e sobe, produzindo uma região de baixa pressão, aspirando o ar que está sobre o mar: sopra a brisa marítima. À noite, ao perder calor, a terra se resfria mais do que o mar. O processo se inverte e sopra a brisa terrestre. 43

Convecção Térmica (7) 5. Nas grandes cidades, a convecção é um fenômeno muito importante para a dispersão dos poluentes atmosféricos. Como os gases eliminados pelos veículos e pelas indústrias estão mais quentes que o ar das camadas superiores, eles sobem e se diluem na atmosfera. No inverno, entretanto, é comum o ar poluído, próximo ao solo estar mais frio que o ar puro das regiões mais elevadas. Desse modo, deixa de ocorrer a convecção, aumentando a concentração dos poluentes no ar. Essa ocorrência recebe o nome de inversão térmica e pode ser agravada na ausência de ventos e de chuva. 44

Convecção Térmica (8) 6. No caso da água, as correntes de convecção se invertem abaixo de 40 C. Uma vez que a sua densidade é menor a 20 C que a 30 C, temperaturas inferiores a 40 C fazem com que a água mais quente desça, enquanto sobe a mais fria. É por isso que nos lagos o gelo se forma a partir da superfície. Graças a isto, eles não chegam a congelar totalmente: a camada de gelo (isolante térmico) dificulta o esfriamento das camadas inferiores. 45

Irradiação (1) � A transmissão de energia por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio, luz visível e raios ultravioleta, entre outras) é denominada irradiação ou radiação. � Quando essas ondas são os raios infravermelhos, temos a irradiação térmica. � Ao contrário da condução térmica e da convecção térmica, a irradiação ocorre sem a necessidade de um meio material: o transporte é exclusivamente de energia, sob a forma de onda eletromagnética. � É o caso da energia que recebemos do Sol, que só pode chegar até nós por irradiação, visto que no vácuo não existe meio material. 46

Radiação Eletromagnética (1) �A radiação eletromagnética é uma oscilação em fase dos campos elétricos e magnéticos. �As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são perpendiculares entre si e se propagam como uma onda transversal, cujas oscilações são perpendiculares à direção do movimento da onda. 47

Radiação Eletromagnética (2) � O espectro visível, ou simplesmente luz visível, é apenas uma pequena parte de todo o espectro da radiação eletromagnética, que vai desde as ondas de rádio aos raios gama. 48

Radiação Infravermelha (1) �A radiação infravermelha (IV) é uma radiação não ionizante na porção invisível do espectro eletromagnético que está adjacente aos comprimentos de onda longos, ou final vermelho do espectro da luz visível. �Qualquer corpo com temperatura acima do zero absoluto (-273 °C) emite radiação infravermelha. �A radiação infravermelha é originada da agitação térmica das partículas que constituem os corpos. Devido a essa agitação, as cargas elétricas dos átomos e moléculas oscilam e 49

Irradiação Térmica (1) 50

Irradiação Térmica (2) � Quando a energia radiante incide na superfície de um corpo, ela é: ◦ Parcialmente absorvida; ◦ Parcialmente refletida e ◦ Parcialmente transmitida através do corpo. � Na figura abaixo, da quantidade total de energia Qi incidente, é absorvida a parcela Qa, reflete-se a parcela Qr e é transmitida a parcela Qt, de modo que: Qi = Qa + Qr + Qt 51

Irradiação Térmica (3) �Para avaliar a proporção da energia incidente que sofre os fenômenos de absorção, reflexão e transmissão, definimos as seguintes grandezas adimensionais: Absorvidade Refletividade Transmissividade �Somando as três grandezas temos: a + r + t = 1 52

Irradiação Térmica (4) � Assim, se um corpo tem absorvidade a = 0, 8, significa que 80% da energia que nele incide é absorvida. Os restantes 20% da energia total devem se dividir entre reflexão e transmissão. � Por definição, corpo negro é um corpo ideal que absorve toda a energia radiante nele incidente. Desta forma, sua absorvidade é a = 1 (100%) e sua refletividade é nula, r = 0. � O espelho ideal é um corpo que reflete totalmente a energia radiante que nele incide, tendo absorvidade nula (a = 0) e refletividade r = 1. Corpo negro: a = 1 r = 0 Espelho ideal: a = 0 r = 1 53

Irradiação Térmica (5) � Quando vários corpos a diferentes temperaturas são colocados em um recinto termicamente isolado do exterior, ao fim de algum tempo, todos estarão a mesma temperatura. � No entanto, todos os corpos continuam a irradiar energia. Como isto acontece? � Estabelece-se um equilíbrio dinâmico que pode ser expresso na forma da lei dos intercâmbios enunciada pelo físico Pierre Prévost: Todos os objetos estão irradiando energia continuamente. No equilíbrio térmico, a potência irradiada ou emitida por um objeto é igual à potência que ele absorve, na forma de radiação, dos objetos vizinhos. 54

Irradiação Térmica (6) � Assim, todo bom absorvedor é também bom emissor e todo corpo bom refletor é mau emissor. � O corpo negro, sendo o absorvedor ideal, é também o emissor ideal ou perfeito. � Na prática, há corpos que apresentam absorvidades quase unitárias, como a fuligem (a = 0, 94), que é excelente absorvedora e excelente emissora. � Outros apresentam absorvidades quase nulas, sendo mau absorvedores e mau emissores, como a prata polida (a = 0, 02). � De um modo geral, corpos escuros apresentam absorvidade elevada e refletividade baixa. Ao contrário, corpos claros e polidos são mau 55

Lei de Stefan-Boltzmann (1) � 56

Lei de Stefan-Boltzmann (2) �Para qualquer temperatura, o maior poder emissivo é o do corpo negro, sendo o seu valor estabelecido pela Lei de Stefan-Boltzmann: ECN = ∙T 4 O poder emissivo do corpo negro é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta. 57

Lei de Stefan-Boltzmann (3) � 58

Lei de Stefan-Boltzmann (4) � 59

Lei de Kirchhoff (1) �Um corpo negro tem absorvidade a. CN=1 e emissividade e. CN=1. Assim, a. CN=e. CN. �Esta igualdade entre a emissividade e absorvidade vale para qualquer corpo, ou seja, um bom absorvedor de calor é também um bom emissor. 60

Lei de Kirchhoff (2) �Este resultado é conhecido como Lei de Kirchhoff, cujo enunciado é: Em uma mesma temperatura, a emissividade e a absorvidade são iguais. e = a 61

Potência Irradiada (1) �A potência irradiada P por um corpo de emissividade e, à temperatura T e cuja área exposta ao ambiente é A, pode ser expressa por: P = E ∙ A P = e ∙ ∙ T 4 ∙ A �Se o corpo estiver em equilíbrio térmico com o ambiente, sua temperatura é constante e, portanto, ele estará emitindo e absorvendo energia com a mesma rapidez. 62

Potência Irradiada (2) �Porém, se as temperaturas dele e do ambiente forem diferentes, haverá um fluxo líquido de energia. �Assim, se o corpo estiver a uma temperatura T e o ambiente a uma temperatura TA, a potência líquida PL de ganho ou perda de energia será dada por: PL = e ∙ A ∙ ∙ (TA 4 - T 4) 63

Potência Irradiada (3) PL = e ∙ A ∙ ∙ (TA 4 - T 4) �A potência líquida é: ◦ Positiva (PL>0): Quando o ambiente está mais quente que o corpo (TA > T), significando que o corpo está recebendo energia, isto é, absorvendo mais do que emite. ◦ Negativa (PL<0): Quando o ambiente está mais frio que o corpo (TA < T), significando que o corpo está perdendo energia, isto é, emite mais do que absorve. 64

Espectro de Emissão (1) �Define-se radiância espectral R( ) como a quantidade de energia emitida por um corpo, por unidade de tempo e de área, em um dado intervalo de frequências entre e +d do espectro. 65

Espectro de Emissão (2) �O gráfico da radiância espectral em função da frequência para o corpo negro é exibido abaixo para três temperaturas: 900 K, 1200 K e 1500 K. 66

Espectro de Emissão (3) �Observa-se no gráfico da radiância as seguintes características importantes: 1. Possui um máximo para uma certa frequência, cujo valor aumenta com a temperatura; 2. Para qualquer frequência dada, a radiância espectral aumenta rapidamente com a temperatura. �Estas observações são descritas quantitativamente por leis fenomenológicas: a lei de Wien e a lei de Stefan-Boltzmann. 67

Espectro de Emissão (4) A Lei de Wien �A lei de Wien afirma que a freqüência max para a qual a radiância espectral alcança o seu valor máximo aumenta proporcionalmente à temperatura: max= CW T �O valor experimental da constante de proporcionalidade é: CW = 5, 9 ∙ 1010 Hz/K Wilhelm Wien, físico alemão, 1864 -1928. 68

Espectro de Emissão (5) A Lei de Stefan-Boltzmann �A lei de Stefan-Boltzmann estipula que a potência total emitida por unidade de área, ou seja, a integral da radiância espectral sobre todas as frequências, é proporcional à quarta potência da temperatura: 4 Joseph Stefan, físico austriaco, 1835 -1893. Ludwig Boltzmann, físico austriaco, 1844 -1906. 69

Usos dos Raios Infravermelhos (1) � Os raios infravermelhos (ondas de calor) têm uma vasta aplicação: 1. Lâmpadas de infravermelho são usadas na medicina em aparelhos de terapia por calor. Também podem ser usadas para aquecimento de ambientes e para a secagem de tintas e vernizes. 2. A termografia consiste na obtenção de imagens (termogramas) por meio de câmaras especiais (termovisores), que captam as radiações infravermelhas emitidas pelos objetos. A análise de termogramas permite diagnosticar processos tumorais, já que a temperatura de células cancerosas é diferente da das células normais de um mesmo tecido. 3. Certos mísseis “farejam” seu alvo pelas ondas de 70

O Sol que nos Aquece (1) �Radiação solar é a designação dada à energia radiante emitida pelo Sol, em particular aquela que é transmitida sob a forma de radiação eletromagnética. �Cerca de metade desta energia é emitida como luz visível e o restante na do infravermelho próximo e como radiação ultravioleta. 71

O Sol que nos Aquece (2) �A luz do Sol quando chega até nós já percorreu 149 milhões de quilômetros tendo que atravessar o vácuo, pois a camada atmosférica que envolve a Terra só alcança cerca de 600 Km. �O Sol irradia energia em todas as direções. De toda energia liberada pelo Sol, só 1, 4 bilionésimos chega até a Terra. 72

O Sol que nos Aquece (3) � Parte desta energia (30%) é refletida nas altas camadas da atmosfera voltando para o espaço. � Cerca de 46, 62% dessa energia aquece e evapora a água dos oceanos e rios. � 16, 31% aquece o solo; � 7% aquece o ar; � 0, 07% é usada pelas plantas terrestres e marinhas na fotossíntese. 73

Aplicações e Efeitos da Irradiação (1) Estufa de plantas � Uma estufa tem paredes e teto de vidro transparentes à energia radiante proveniente do Sol. � O chão da estufa normalmente é pintado de preto ou de uma cor escura. � A energia radiante que penetra através do vidro é absorvida pelo fundo escuro e demais objetos no interior da estufa, sendo a seguir, novamente irradiada. • Mas, esta reemissão de energia se dá sob a forma de raios infravermelhos de baixa frequência, que o vidro não deixa passar. 74

Aplicações e Efeitos da Irradiação (2) � Quando você deixa um carro ao sol, com as portas fechadas, obterá o mesmo efeito de uma estufa. O vidro não permite que os raios infravermelhos, responsáveis pelo aquecimento, saiam. � O coletor de energia solar, usado no aquecimento central de água em residências, também se baseia no mesmo princípio da estufa. Consta de um recinto de paredes de vidro com fundo escuro, tendo no seu interior o encanamento que conduz a água a ser aquecida. 75

Aplicações e Efeitos da Irradiação (3) Efeito Estufa (1) �O termo efeito estufa foi cunhado pelo químico sueco Svante Arrhenius, no século XIX. �Trata-se de uma condição natural de nosso planeta e é o que garante à Terra uma temperatura média adequada à vida. �Se não ocorresse o efeito estufa, a temperatura média do nosso planeta seria de 76 -180 C.

Aplicações e Efeitos da Irradiação (4) Efeito Estufa (2) � O princípio é o mesmo das estufas de plantas: A Terra recebe, durante o dia, a energia radiante do Sol, absorve parte desta energia e a irradia de volta para o espaço. 2. Uma parte da radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre é absorvida e reemitida por determinados gases presentes na atmosfera (Vapor de água 70% (H 2 O), Dióxido de carbono 9% (CO 2), Metano 9% (CH 4), Óxido nitroso (N 2 O), CFC´s (CFx. Clx)). Estes gases criam uma espécie de telhado, como o de uma estufa, sobre a Terra. 3. Como consequência disso, o calor fica retido, não sendo liberado para o espaço. 1. 77

Aplicações e Efeitos da Irradiação (5) Efeito Estufa (3) 78

Aplicações e Efeitos da Irradiação (6) Efeito Estufa (4) �No decorrer do século XX e no início do XXI, tem ocorrido uma intensificação do efeito estufa, devido principalmente às indústrias e aos veículos automotores, que têm expelido para a atmosfera quantidades muito grandes de gases estufa, principalmente o CO 2. �Em consequência, a temperatura média da Terra tende a aumentar, com graves impactos ambientais. 79

Aplicações e Efeitos da Irradiação (7) Garrafa Térmica (1) Uma garrafa térmica ou vaso de Dewar é um recipiente portátil que tem como objetivo evitar a troca de calor entre o conteúdo que está em seu interior e o ambiente, mantendo sua temperatura temporariamente constante. � Foi inventada em 1892 pelo físico-químico escocês James Dewar. • Para minimizar as perdas de calor, mantendo a temperatura praticamente constante durante um longo intervalo de tempo, a garrafa térmica é feita de dupla parede de vidro espelhado, no interior do qual se faz vácuo. O vidro, que é um material isolante, reduz a condução térmica. O vácuo entre as lâminas só permite a irradiação que é dificultada pelo fato das paredes serem espelhadas. 80 �