Eles têm baixa condutividade térmica. II concurso internacional de investigação científica e trabalhos criativos de estudantes “Start in Science”
Energia térmica é o termo que usamos para descrever o nível de atividade das moléculas em um objeto. O aumento da excitação está, de uma forma ou de outra, associado ao aumento da temperatura, enquanto em objetos frios os átomos se movem muito mais lentamente.
Exemplos de transferência de calor podem ser encontrados em todos os lugares - na natureza, na tecnologia e Vida cotidiana.
Exemplos de transferência de energia térmica
O maior exemplo de transferência de calor é o sol, que aquece o planeta Terra e tudo o que nele existe. Na vida cotidiana você pode encontrar muitas opções semelhantes, só que em um sentido muito menos global. Então, que exemplos de transferência de calor podem ser observados na vida cotidiana?
Aqui estão alguns deles:
Calor é movimento
Os fluxos de calor estão em constante movimento. Os principais métodos de sua transmissão podem ser chamados de convenção, radiação e condução. Vejamos esses conceitos com mais detalhes.
O que é condutividade?
Talvez muitos tenham notado mais de uma vez que na mesma sala as sensações de tocar o chão podem ser completamente diferentes. É agradável e quente andar no carpete, mas se você entrar no banheiro descalço, o frescor perceptível lhe dá imediatamente uma sensação de vigor. Só não no caso de haver piso aquecido.
Então, por que uma superfície de azulejos congela? Tudo isso se deve à condutividade térmica. É um dos três tipos de transferência de calor. Sempre que dois objetos temperaturas diferentes estão em contato um com o outro, a energia térmica fluirá entre eles. Exemplos de transferência de calor neste caso incluem o seguinte: segurar uma placa de metal, cuja outra extremidade será colocada acima da chama de uma vela, com o tempo você poderá sentir uma sensação de queimação e dor, e ao tocar na alça de ferro de uma panela com água fervente você pode se queimar.
Fatores de condutividade
Boa ou má condutividade depende de vários fatores:
- O tipo e a qualidade do material com o qual os itens são feitos.
- A área de superfície de dois objetos em contato.
- Diferença de temperatura entre dois objetos.
- Espessura e tamanho dos objetos.
Na forma de equação, fica assim: A taxa de transferência de calor para um objeto é igual à condutividade térmica do material de que o objeto é feito, multiplicada pela área da superfície em contato, multiplicada pela diferença de temperatura entre os dois objetos, e dividido pela espessura do material. É simples.
Exemplos de condutividade
A transferência direta de calor de um objeto para outro é chamada de condução, e as substâncias que conduzem bem o calor são chamadas de condutores. Alguns materiais e substâncias não atendem bem a essa tarefa; são chamados de isolantes. Isso inclui madeira, plástico, fibra de vidro e até ar. Como você sabe, os isoladores na verdade não interrompem o fluxo de calor, mas simplesmente o retardam em um grau ou outro.
Convecção
Este tipo de transferência de calor, como a convecção, ocorre em todos os líquidos e gases. Você pode encontrar exemplos desse tipo de transferência de calor na natureza e na vida cotidiana. Quando um líquido aquece, as moléculas na parte inferior ganham energia e começam a se mover mais rápido, resultando em uma diminuição na densidade. As moléculas do fluido quente começam a se mover para cima enquanto o refrigerante (o líquido mais denso) começa a afundar. Depois que as moléculas frias chegam ao fundo, elas recebem novamente sua parcela de energia e correm novamente para o topo. O ciclo continua enquanto houver uma fonte de calor na parte inferior.
Exemplos de transferência de calor na natureza podem ser dados da seguinte forma: com a ajuda de um queimador especialmente equipado, o ar quente, preenchendo o espaço de um balão, pode elevar toda a estrutura a uma altura suficientemente alta, a questão toda é que o ar quente é mais leve que o ar frio.
Radiação
Quando você se senta em frente ao fogo, você é aquecido pelo calor que dele emana. A mesma coisa acontece se você levar a palma da mão até uma lâmpada acesa sem tocá-la. Você também sentirá o calor. Os maiores exemplos de transferência de calor na vida cotidiana e na natureza são liderados pela energia solar. Todos os dias, o calor do Sol atravessa 146 milhões de km de espaço vazio até chegar à própria Terra. É a força motriz de todas as formas e sistemas de vida que existem hoje no nosso planeta. Sem este método de transmissão, estaríamos em grandes apuros e o mundo não seria o mesmo que conhecemos.
A radiação é a transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, sejam ondas de rádio, infravermelho, raios X ou mesmo luz visível. Todos os objetos emitem e absorvem energia radiante, incluindo a própria pessoa, mas nem todos os objetos e substâncias lidam igualmente bem com essa tarefa. Exemplos de transferência de calor na vida cotidiana podem ser considerados usando uma antena convencional. Via de regra, o que emite bem também absorve bem. Já a Terra recebe energia do Sol e depois a libera de volta ao espaço. Essa energia de radiação é chamada de radiação terrestre e é o que torna possível a própria vida no planeta.
Exemplos de transferência de calor na natureza, vida cotidiana, tecnologia
A transmissão de energia, particularmente a energia térmica, é uma área de estudo fundamental para todos os engenheiros. A radiação torna a Terra habitável e produz energia solar renovável. A convecção é a base da mecânica e é responsável pelo fluxo de ar nos edifícios e pelas trocas de ar nas residências. A condutividade permite aquecer a panela apenas colocando-a no fogo.
Numerosos exemplos de transferência de calor na tecnologia e na natureza são óbvios e podem ser encontrados em todo o mundo. Quase todos eles desempenham um papel importante, especialmente no campo da engenharia mecânica. Por exemplo, ao projetar o sistema de ventilação de um edifício, os engenheiros calculam a transferência de calor do edifício para o seu entorno, bem como a transferência de calor interna. Eles também selecionam materiais que minimizam ou maximizam a transferência de calor através de componentes individuais para otimizar a eficiência.
Evaporação
Quando átomos ou moléculas de um líquido (como a água) são expostos a um volume significativo de gás, eles tendem a entrar espontaneamente no estado gasoso ou a evaporar. Isso acontece porque as moléculas estão constantemente se movendo em direções diferentes em velocidades aleatórias e colidindo umas com as outras. Durante esses processos, alguns deles recebem energia cinética suficiente para serem repelidos da fonte de aquecimento.
No entanto, nem todas as moléculas têm tempo para evaporar e transformar-se em vapor de água. Tudo depende da temperatura. Assim, a água em um copo evapora mais lentamente do que em uma panela aquecida no fogão. A água fervente aumenta significativamente a energia das moléculas, o que por sua vez acelera o processo de evaporação.
Conceitos Básicos
- Condução é a transferência de calor através de uma substância por contato direto de átomos ou moléculas.
- Convecção é a transferência de calor através da circulação de gás (como o ar) ou líquido (como a água).
- A radiação é a diferença entre a quantidade de calor absorvida e refletida. Essa habilidade é altamente dependente da cor, com objetos pretos absorvendo mais calor do que os claros.
- A evaporação é o processo pelo qual átomos ou moléculas no estado líquido ganham energia suficiente para se tornarem um gás ou vapor.
- são gases que retêm o calor do sol na atmosfera terrestre, produzindo o efeito estufa. Existem duas categorias principais – vapor de água e dióxido de carbono.
- - são recursos ilimitados que são reabastecidos de forma rápida e natural. Estes incluem os seguintes exemplos de transferência de calor na natureza e na tecnologia: ventos e energia solar.
- A condutividade térmica é a taxa na qual um material transfere energia térmica através de você mesmo.
- O equilíbrio térmico é um estado em que todas as partes do sistema estão à mesma temperatura.
Aplicação na prática
Numerosos exemplos de transferência de calor na natureza e na tecnologia (fotos acima) indicam que estes processos devem ser bem estudados e utilizados para o bem. Os engenheiros aplicam o seu conhecimento dos princípios da transferência de calor, exploram novas tecnologias que utilizam recursos renováveis e são menos destrutivas para ambiente. A chave é compreender que a transferência de energia abre possibilidades infinitas para soluções de engenharia e muito mais.
A energia interna, como qualquer tipo de energia, pode ser transferida de um corpo para outro. A energia interna pode ser transferida de uma parte do corpo para outra. Assim, por exemplo, se uma extremidade de um prego for aquecida na chama, a outra extremidade, localizada na mão, aquecerá gradualmente e queimará a mão. O fenômeno de transferência de energia interna de uma parte do corpo para outra ou de um corpo para outro durante seu contato direto é denominado condutividade térmica.
Vamos estudar esse fenômeno realizando uma série de experimentos com sólidos, líquidos e gases. Vamos levar a ponta de uma vara de madeira ao fogo. Ele irá acender. A outra extremidade do bastão, localizada do lado de fora, estará fria. Isto significa que a árvore tem baixa condutividade térmica. Vamos levar a ponta de uma fina vareta de vidro até a chama da lamparina a álcool. Depois de um tempo, ele esquentará, mas a outra extremidade permanecerá fria. Consequentemente, o vidro também tem baixa condutividade térmica. Se aquecermos a extremidade de uma barra de metal em uma chama, muito em breve toda a barra ficará muito quente. Não poderemos mais segurá-lo em nossas mãos. Isso significa que os metais conduzem bem o calor, ou seja, possuem alta condutividade térmica. Maior condutividade térmica tem prata e cobre.
Consideremos a transferência de calor de uma parte de um sólido para outra na experiência a seguir. Vamos proteger uma extremidade da espessura fio de cobre em um tripé. Fixamos vários pregos no fio com cera (Fig. 6). Quando a extremidade livre do fio é aquecida na chama de uma lamparina a álcool, a cera derrete. Os cravos começarão a cair gradualmente. Primeiro, aqueles que estão mais próximos da chama desaparecerão, depois todo o resto, por sua vez. Vamos descobrir como a energia é transferida através de um fio. A velocidade do movimento oscilatório das partículas metálicas aumenta na parte do fio que está mais próxima da chama. Como as partículas interagem constantemente umas com as outras, a velocidade de movimento das partículas vizinhas aumenta. A temperatura da próxima parte do fio começa a aumentar, etc. Deve-se lembrar que durante a condução térmica não há transferência de substância de uma extremidade do corpo para a outra. Consideremos agora a condutividade térmica dos líquidos. Vamos pegar um tubo de ensaio com água e começar a aquecer sua parte superior. A água na superfície logo ferverá e no fundo do tubo de ensaio durante esse tempo apenas aquecerá (Fig. 7).
Isto significa que os líquidos têm baixa condutividade térmica, com exceção do mercúrio e dos metais fundidos. Isso é explicado pelo fato de que nos líquidos as moléculas estão localizadas a distâncias maiores umas das outras do que em sólidos. Vamos estudar a condutividade térmica dos gases. Coloque o tubo de ensaio seco no dedo e aqueça-o de cabeça para baixo na chama de uma lamparina a álcool (Fig. 8).
O dedo não sentirá o calor por muito tempo. Isso se deve ao fato de que a distância entre as moléculas do gás é ainda maior que a dos líquidos e sólidos. Consequentemente, a condutividade térmica dos gases é ainda menor. Então, a condutividade térmica é várias substâncias diferente. A experiência mostrada na Figura 9 mostra que a condutividade térmica de diferentes metais não é a mesma. Lã, cabelo, penas de pássaros, papel, cortiça e outros apresentam baixa condutividade térmica. corpos porosos. Isso se deve ao fato do ar estar contido entre as fibras dessas substâncias. O vácuo (espaço livre de ar) tem a menor condutividade térmica. 
Isso se explica pelo fato de que a condutividade térmica é a transferência de energia de uma parte do corpo para outra, que ocorre durante a interação de moléculas ou outras partículas. Num espaço onde não existem partículas, a condução térmica não pode ocorrer. Se houver necessidade de proteger o corpo do resfriamento ou aquecimento, são utilizadas substâncias com baixa condutividade térmica. Assim, para panelas e frigideiras, os cabos são feitos de plástico. As casas são construídas com toras ou tijolos, que apresentam baixa condutividade térmica, o que significa que protegem as instalações do resfriamento.
A troca de calor entre dois meios ocorre através de uma parede sólida que os separa ou através da interface entre eles.
O calor só pode ser transferido de um corpo com temperatura mais alta para um corpo com temperatura mais baixa.
A troca de calor sempre ocorre de forma que uma diminuição na energia interna de alguns corpos seja sempre acompanhada pelo mesmo aumento na energia interna de outros corpos participantes da troca de calor.
Condutividade térmica
A condutividade térmica é um tipo de transferência de calor em que há uma transferência direta de energia das partículas (moléculas, átomos) de uma parte mais aquecida do corpo para as partículas de sua parte menos aquecida.
A condutividade térmica não é acompanhada pela transferência de matéria! Deve-se lembrar que durante a condutividade térmica a própria substância não se move ao longo do corpo, apenas energia é transferida.
A condutividade térmica de diferentes substâncias é diferente.
Você pode realizar o seguinte experimento - pegue um copo com água quente e coloque ali colheres de materiais diversos (alumínio, cuproníquel, aço, madeira e plástico) Depois de 3 minutos, veja se as colheres esquentam igualmente?? Analise o resultado
A tabela mostra que os metais têm a maior condutividade térmica, Além disso, diferentes metais têm diferentes condutividades térmicas.
Os líquidos têm menor condutividade térmica que os sólidos e os gases têm menor condutividade térmica que os líquidos.
Consideremos um experimento com a condutividade térmica de líquidos. Se você colocar gelo no fundo de um barril de água e aquecer a camada superior da água com uma caldeira. Então a água da superfície logo ferverá, mas o gelo abaixo não derreterá. Isso se explica pelo fato de que nos líquidos as moléculas estão localizadas a distâncias maiores umas das outras do que nos sólidos.
Cabelo, penas, papel, cortiça e outros corpos porosos também apresentam baixa condutividade térmica. Isso se deve ao fato do ar estar contido entre as fibras dessas substâncias. O vácuo (espaço livre de ar) tem a menor condutividade térmica. Isso se explica pelo fato de que a condutividade térmica é a transferência de energia de uma parte do corpo para outra, que ocorre durante a interação de moléculas ou outras partículas. Num espaço onde não existem partículas, a condução térmica não pode ocorrer.
Metais - sólidos - líquidos - gases
Enfraquecimento da condutividade térmica
Se houver necessidade de proteger o corpo do resfriamento ou aquecimento, são utilizadas substâncias com baixa condutividade térmica. Assim, as alças das torneiras do radiador são feitas de plástico e as alças das panelas também são feitas de uma liga semelhante. As casas são construídas com toras ou tijolos porosos, que apresentam baixa condutividade térmica, o que significa que protegem as instalações do resfriamento.
Atualmente, em muitas regiões, os edifícios começaram a ser construídos sobre palafitas. Neste caso, o calor é transferido apenas por condutividade térmica da fundação para a estaca e posteriormente da estaca para o solo.As estacas são feitas de material sólido durável e em seu interior são preenchidas com querosene. No verão, a pilha conduz mal o calor de cima para baixo, porque o líquido tem baixa condutividade térmica. No inverno, a pilha, devido à convecção do líquido em seu interior, contribuirá, ao contrário, para um resfriamento adicional do solo.
Condutividade térmica- trata-se de um tipo de transferência de calor em que ocorre uma transferência direta de energia das partículas (moléculas, átomos) de uma parte mais aquecida do corpo para as partículas de sua parte menos aquecida.
Consideremos uma série de experimentos com aquecimento de sólidos, líquidos e gases.
Transferência de calor radiante.
Transferência de calor radiante- Esta é a troca de calor em que a energia é transferida por vários raios.
Podem ser os raios do sol, bem como os raios emitidos por corpos aquecidos ao nosso redor.
Assim, por exemplo, sentados perto do fogo, sentimos como o calor é transferido do fogo para o nosso corpo. No entanto, a razão para tal transferência de calor não pode ser a condutividade térmica (que é muito pequena para o ar entre a chama e o corpo) ou a convecção (uma vez que os fluxos de convecção são sempre direcionados para cima). Aqui ocorre o terceiro tipo de troca de calor - transferência de calor radiante.
Vamos pegar um frasco pequeno, fumado de um lado.
Através da rolha, insira nela um tubo de vidro dobrado em ângulo reto. Neste tubo, que possui um canal estreito, introduzimos o líquido colorido. Ao anexar uma escala ao tubo, obtemos o dispositivo - termoscópio. Este dispositivo permite detectar até mesmo um leve aquecimento do ar em um frasco defumado.
Se você levar um pedaço de metal aquecido a alta temperatura para a superfície escura do termoscópio, a coluna líquida se moverá para a direita. Obviamente, o ar no frasco aqueceu e expandiu. O rápido aquecimento do ar em um termoscópio só pode ser explicado pela transferência de energia de um corpo aquecido para ele. Tal como no caso de um incêndio, a energia aqui não foi transferida nem por condutividade térmica nem por transferência de calor por convecção. A energia, neste caso, foi transmitida por meio de raios invisíveis emitidos por um corpo aquecido. Esses raios são chamados radiação térmica.
A troca de calor radiante pode ocorrer em vácuo completo. Isto o distingue de outros tipos de troca de calor.
Todos os corpos emitem energia: tanto fortemente aquecidos como fracamente aquecidos, por exemplo, o corpo humano, um fogão, uma lâmpada elétrica. Mas quanto maior a temperatura corporal, mais forte é a sua radiação térmica. A energia emitida, tendo atingido outros corpos, é parcialmente absorvida por eles e parcialmente refletida. Quando energia absorvida radiação térmica se transforma na energia interna dos corpos, e eles aquecem.
Superfícies claras e escuras absorvem energia de maneira diferente. Então, se em um experimento com um termoscópio você virar o frasco em direção ao corpo aquecido, primeiro com o lado fumê e depois com o lado claro, então a coluna de líquido no primeiro caso se moverá uma distância maior do que no segundo (ver a figura acima). Conclui-se que corpos com superfície escura absorvem melhor energia (e, portanto, aquecem mais) do que corpos com superfície clara ou espelhada.
Corpos com superfície escura não apenas absorvem melhor a energia, mas também emitem melhor energia.
A capacidade de absorver a energia da radiação de diferentes maneiras é amplamente utilizada na tecnologia. Por exemplo, balões e asas de avião costumam ser pintados de prata para reduzir o calor dos raios solares.
Se for necessário usar energia solar (por exemplo, para aquecer alguns dispositivos instalados em satélites artificiais), esses dispositivos serão pintados de escuro.
Troca de calor- este é o processo de mudança da energia interna sem realizar trabalho no corpo ou no próprio corpo.
A troca de calor sempre ocorre em uma determinada direção: de corpos com temperatura mais alta para corpos com temperatura mais baixa.
Quando a temperatura corporal se equaliza, a troca de calor é interrompida.
A troca de calor pode ser realizada de três maneiras:
- condutividade térmica
- convecção
- radiação
Condutividade térmica
Condutividade térmica- o fenômeno da transferência de energia interna de uma parte do corpo para outra ou de um corpo para outro mediante contato direto.
Os metais têm a maior condutividade térmica- eles têm centenas de vezes mais que água. As exceções são mercúrio e chumbo., mas aqui a condutividade térmica é dezenas de vezes maior que a da água.
Quando uma agulha de tricô de metal foi colocada em um copo de água quente, logo a ponta da agulha de tricô também ficou quente. Conseqüentemente, a energia interna, como qualquer tipo de energia, pode ser transferida de um corpo para outro. A energia interna pode ser transferida de uma parte do corpo para outra. Assim, por exemplo, se uma extremidade de um prego for aquecida na chama, a outra extremidade, localizada na mão, aquecerá gradualmente e queimará a mão.
O aquecimento de uma panela no fogão elétrico ocorre por meio da condutividade térmica.
Vamos estudar esse fenômeno realizando uma série de experimentos com sólidos, líquidos e gases.
Vamos levar a ponta de uma vara de madeira ao fogo. Ele irá acender. A outra extremidade do bastão, localizada do lado de fora, estará fria. Significa, a madeira tem baixa condutividade térmica.
Vamos levar a ponta de uma fina vareta de vidro até a chama da lamparina a álcool. Depois de algum tempo ele esquentará, mas a outra extremidade permanecerá fria. Portanto, e o vidro tem baixa condutividade térmica.
Se aquecermos a extremidade de uma barra de metal em uma chama, muito em breve toda a barra ficará muito quente. Não poderemos mais segurá-lo em nossas mãos.
Significa, os metais conduzem bem o calor, ou seja, possuem alta condutividade térmica. Prata e cobre têm a maior condutividade térmica.
A condutividade térmica de diferentes substâncias é diferente.
Lã, cabelo, penas de pássaros, papel, cortiça e outros corpos porosos apresentam baixa condutividade térmica. Isso se deve ao fato do ar estar contido entre as fibras dessas substâncias. O vácuo (espaço livre de ar) tem a menor condutividade térmica. Isso se explica pelo fato de que a condutividade térmica é a transferência de energia de uma parte do corpo para outra, que ocorre durante a interação de moléculas ou outras partículas. Num espaço onde não existem partículas, a condução térmica não pode ocorrer.
Se houver necessidade de proteger o corpo do resfriamento ou aquecimento, são utilizadas substâncias com baixa condutividade térmica. Assim, para panelas e frigideiras, os cabos são feitos de plástico. As casas são construídas com toras ou tijolos, que apresentam baixa condutividade térmica, o que significa que estão protegidas do resfriamento.
Convecção
Convecçãoé um processo de transferência de calor realizado pela transferência de energia por fluxos de líquido ou gás.
Exemplo de fenômeno de convecção: um pequeno cata-vento de papel colocado sobre a chama de uma vela ou lâmpada começa a girar sob a influência do ar aquecido ascendente. Este fenômeno pode ser explicado desta forma. O ar que entra em contacto com uma lâmpada quente aquece, expande-se e torna-se menos denso do que o ar frio que a rodeia. A força de Arquimedes, que atua sobre o ar quente do lado do ar frio, de baixo para cima, é maior que a força da gravidade, que atua sobre o ar quente. Como resultado, o ar aquecido “flutua”, sobe e o ar frio toma o seu lugar.
Durante a convecção, a energia é transferida pelos próprios jatos de gás ou líquido.
Existem dois tipos de convecção:
- natural (ou grátis)
- forçado
Para que a convecção ocorra em líquidos e gases, eles devem ser aquecidos por baixo.
A convecção não pode ocorrer em sólidos.
Radiação
Radiação - radiação eletromagnética, emitido devido à energia interna por uma substância localizada a uma determinada temperatura.
O poder da radiação térmica de um objeto que atende aos critérios de corpo negro é descrito por Lei de Stefan-Boltzmann.
A relação entre as habilidades emissivas e absortivas dos corpos é descrita Lei da radiação de Kirchhoff.
A transferência de energia por radiação difere de outros tipos de transferência de calor: pode ser realizado em vácuo completo.
Todos os corpos emitem energia: tanto os altamente aquecidos como os fracamente aquecidos, por exemplo o corpo humano, um fogão, uma lâmpada eléctrica, etc. Mas quanto mais elevada for a temperatura de um corpo, mais energia ele transmite por radiação. Neste caso, a energia é parcialmente absorvida por esses corpos e parcialmente refletida. Quando a energia é absorvida, os corpos aquecem de forma diferente, dependendo do estado da superfície.
Corpos com superfície escura absorvem e emitem energia melhor do que corpos com superfície clara. Ao mesmo tempo, corpos com superfície escura esfriam mais rápido por radiação do que corpos com superfície clara. Por exemplo, uma chaleira de cor clara retém a água quente por mais tempo. Temperatura alta do que no escuro.