Fluxo de calor transmitido pela fórmula da radiação. Isso é fluxo de calor. B6 Transferência de calor complexa e transferência de calor

Para expressar o efeito geral da convecção, usamos a lei de resfriamento de Newton: = ℎ 6 3 - 47. Aqui, a taxa de transferência de calor está relacionada à diferença de temperatura total entre a parede e o líquido e a área da superfície. Radiação Ao contrário dos mecanismos de condução e convecção, quando a energia é transferida através de um meio material, o calor também pode ser transferido para áreas onde existe um vácuo perfeito. Neste caso, o mecanismo é a radiação eletromagnética. A radiação pode exibir propriedades onduladas ou corpusculares.

Radiação eletromagnética se propagando como resultado da diferença de temperatura; Isso é chamado de radiação térmica. Considerações termodinâmicas mostram que um radiador ou corpo negro irradiará energia a uma taxa proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do corpo. A Equação 5 é chamada de lei de Stefan-Boltzmann da radiação térmica e é aplicável apenas a corpos negros. Parede plana estável de condução. Vamos primeiro considerar uma parede plana onde pode ser feita uma aplicação direta da lei de Fourier.

A Figura 3 mostra um problema típico e seu circuito analógico. Arroz. 3 Fluxo de calor unidimensional através de vários cortes cilíndricos e suas contrapartes elétricas. Os sistemas esféricos também podem ser considerados como unidimensionais quando a temperatura é apenas uma função do raio. isolamento crítico. Tubo de vapor para ilustrar o raio crítico do isolamento. Digamos que você tenha um tubo de vapor que deseja isolar para evitar perda de energia e proteger as pessoas de queimaduras. Se o vapor não for superaquecido, algum vapor condensará no tubo.

A temperatura da superfície do tubo-isolamento é aproximadamente igual à temperatura de saturação do vapor, pois a resistência térmica na parede do tubo tende a ser pequena e desaparece. Portanto, a queda de temperatura na parede do tubo será muito pequena. A figura a seguir mostra um análogo elétrico construído para esta tarefa simplificada. Raios internos e externos de isolamento. Para determinar o raio crítico de isolamento, agiremos da seguinte maneira. Condução radial de calor através de uma esfera oca Figura 1 Condução de calor através de uma esfera oca Criando um balanço de energia em um elemento de volume diferencial para determinar a equação diferencial correspondente.

A equação acima é uma equação diferencial adequada para a distribuição de temperatura em uma esfera oca. As duas condições de contorno associadas a esse problema são as seguintes: pois quanto mais espesso o isolante, menor a taxa de transferência de calor, pois a área da parede é constante e, quando isolada, aumenta a resistência térmica sem aumentar a resistência à convecção. Mas algo diferente acontece com cilindros e esferas quando você os isola. Processo de troca de energia na forma de calor entre corpos diferentes ou entre várias partes mesmo corpo em diferentes temperaturas.

A transferência de calor sempre ocorre de mais corpo quente para mais frio, como resultado da Segunda Lei da Termodinâmica. A transferência de calor ocorre até que os corpos e suas vizinhanças atinjam o equilíbrio térmico. O calor é transferido por convecção, radiação ou condução. Embora esses três processos possam ocorrer simultaneamente, pode acontecer que um mecanismo prevaleça sobre os outros dois.

A radiação eletromagnética é uma combinação de campos elétricos e magnéticos, oscilantes e perpendiculares entre si, propagando-se pelo espaço, transportando energia de um lugar para outro. Ao contrário da condução e convecção, ou outros tipos de ondas, como o som, que requerem um meio material para se propagar, a radiação eletromagnética não depende da matéria para se propagar; de fato, a transferência de energia por radiação é mais eficiente no vácuo. No entanto, a velocidade, intensidade e direção do fluxo de energia são afetadas pela presença da matéria.

Assim, essas ondas podem passar pelo espaço interplanetário e interestelar e chegar à Terra. O vulcanismo, a actividade sísmica, os fenómenos de metamorfismo e orogenia são alguns dos fenómenos controlados pelo transporte e libertação de calor. De fato, o equilíbrio térmico da Terra controla a atividade na litosfera, na astenosfera e também no interior do planeta.

O calor que atinge a superfície da Terra tem duas fontes: o interior do planeta e o sol. Parte dessa energia é devolvida ao espaço. Se for assumido que o sol e a biosfera mantêm a temperatura média na superfície do planeta com pequenas flutuações, então o calor que emana do interior do planeta determina a evolução geológica do planeta, ou seja, controla as placas tectônicas, magmatismo, a geração de cadeias de montanhas, a evolução da parte interna do planeta, incluindo seu campo magnético.

Esse propriedade física material e é uma medida da capacidade de um material de "conduzir" o calor. Se considerarmos o caso unidimensional, então a lei de Fourier está escrita. Se o fluxo de calor e a temperatura do meio não variam com o tempo, o processo é considerado estacionário. Se não houver calor no volume de material, teremos. Onde ρ é a densidade do material. Esta expressão permite calcular a temperatura em pontos dentro da região, sujeitos à imposição de condições de contorno.

Podemos aplicar esta equação para tentar aprender algo sobre a distribuição de temperatura dentro do planeta, usando as superfícies conhecidas de fluxo e temperatura como condições de contorno. Integrando esta equação novamente dá. Esta última expressão pode ser usada para determinar a mudança de temperatura com a profundidade. Considere, portanto, o caso da Terra, assumindo que o calor é transportado principalmente por condução. A curva temperatura-profundidade é chamada de "geotérmica". Uma análise da figura mostra que em profundidades superiores a 100 km, o manto deve ter fusão significativa, enquanto que para profundidades superiores a 150 km, todo o manto deve derreter.

Estas “previsões” não concordam com a informação obtida no estudo da propagação das ondas sísmicas, pelo que devemos concluir que o modelo de condutividade térmica não prevê corretamente o perfil de temperatura no manto. Mesmo que o modelo de direção não preveja a temperatura no manto superior, ele representa um sucesso significativo quando aplicado à parte externa do planeta, ou seja, a crosta terrestre, onde o calor interno é principalmente proveniente do decaimento radioativo e transportado para a superfície, por condução.

Voltaremos a esse problema quando estudarmos o fluxo de calor nos continentes. Considere uma camada de líquido aquecida na parte inferior e resfriada na parte superior. Quando um líquido é aquecido, sua densidade diminui devido à expansão. No caso em questão, a parte superior da camada líquida será mais fria e, portanto, mais densa que a inferior. Essa situação é gravitacionalmente instável, impedindo o resfriamento do líquido líquido e, quanto mais ele esquenta, mais rápidas surgem as correntes de convecção. O movimento de um fluido é impulsionado por forças motrizes.

Considere, portanto, um elemento de fluido retangular, conforme a figura. As forças que atuam em um elemento de fluido são: as forças devidas ao gradiente de pressão, a força da gravidade e a força de empuxo. Para este último, a densidade do líquido deve ser levada em consideração. A componente vertical da força resultante será então.

Embora os isótopos radioativos existam em pequenas quantidades na crosta terrestre e também sejam menos comuns no manto, seu decaimento natural produz uma quantidade significativa de calor, como pode ser visto na tabela à esquerda. Os elementos mais importantes deste processo são urânio, tório e potássio; pode-se ver que a contribuição do urânio e do tório é maior que a do potássio.

A tabela a seguir apresenta a concentração de elementos radioativos e a geração térmica de algumas rochas. O granito é a pedra que mais calor libera devido ao decaimento de materiais radioativos, pois possui a maior concentração desses elementos. A medição do calor gerado pela crosta terrestre no presente pode ser usada para calcular o calor gerado no passado. Por outro lado, a concentração de elementos radioativos pode ser utilizada na datação de rochas.

A taxa de decaimento de um isótopo radioativo é dada pela fórmula. Embora a taxa de geração de calor na crosta terrestre seja cerca de duas ordens de grandeza superior à do manto, a taxa de produção do manto deve ser levada em consideração, pois o volume do manto é muito maior que o volume da crosta. Essa reação foi realizada em laboratório a temperaturas e pressões da ordem das da interface manto-núcleo.

A figura mostra a distribuição do fluxo de calor ao longo da Terra. O calor perdido pela superfície do planeta é distribuído uniformemente. A tabela a seguir mostra as principais contribuições: 73% do calor é perdido através dos oceanos, que constituem 60% da superfície da Terra. A maior parte do calor é perdida durante a criação e resfriamento da litosfera oceânica, quando novo material parte dos cumes do meio. A tectônica de placas está fundamentalmente relacionada ao resfriamento da Terra. Por outro lado, parece que velocidade média a criação do fundo do oceano é determinada pelo equilíbrio entre a taxa de geração de calor e a taxa geral de perda do mesmo Temperatura alta sobre toda a superfície do planeta.

Nos modelos de placas tectônicas, a ascensão dos materiais do manto ocorre nas dorsais oceânicas. Esses materiais, quando resfriados, levam à formação de nova crosta oceânica. Ao se afastar da zona ascendente, a nova crosta esfria para grandes profundidades, formando uma placa rígida cada vez mais espessa.

A figura a seguir mostra os valores observados do fluxo de calor em função da idade da litosfera oceânica, bem como os valores calculados a partir do modelo teórico. Considerando o que foi dito no parágrafo anterior, este gráfico pode ser interpretado como representando valores de fluxo em função da distância ao cume. Como pode ser visto, o fluxo de calor perto das dorsais oceânicas tem valores altos, diminuindo com a distância da zona ascendente dos materiais do manto. Ao comparar os valores observados com os valores calculados, verifica-se que os fluxos derivados dos modelos são superiores aos observados perto da crista.