14: Métodos de transferência de calor e calor
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A energia pode existir de várias formas e o calor é um dos mais intrigantes. O calor geralmente está oculto, pois só existe quando está em trânsito e é transferido por vários métodos distintos. A transferência de calor afeta todos os aspectos de nossas vidas e nos ajuda a entender como o universo funciona. Isso explica o frio que sentimos em uma noite de brisa clara ou por que o núcleo da Terra ainda não esfriou. Este capítulo define e explora a transferência de calor, seus efeitos e os métodos pelos quais o calor é transferido. Esses tópicos são fundamentais, além de práticos, e geralmente serão mencionados nos próximos capítulos.
- 14.0: Prelúdio aos métodos de transferência de calor e calor
- Este capítulo define e explora a transferência de calor, seus efeitos e os métodos pelos quais o calor é transferido. Esses tópicos são fundamentais, além de práticos, e geralmente serão mencionados nos próximos capítulos.
- 14.1: Calor
- Se dois objetos em temperaturas diferentes entrarem em contato um com o outro, a energia é transferida do objeto mais quente para o mais frio até que o equilíbrio seja alcançado e os corpos atinjam o equilíbrio térmico (ou seja, eles estão na mesma temperatura). Nenhum trabalho é feito por nenhum dos objetos, porque nenhuma força atua à distância. A transferência de energia é causada pela diferença de temperatura e cessa quando as temperaturas são iguais. O calor é a transferência espontânea de energia devido a uma temperatura
- 14.2: Mudança de temperatura e capacidade de aquecimento
- Um dos principais efeitos da transferência de calor é a mudança de temperatura: o aquecimento aumenta a temperatura enquanto o resfriamento a diminui. Assumimos que não há mudança de fase e que nenhum trabalho é feito no ou pelo sistema. Experimentos mostram que o calor transferido depende de três fatores: a mudança na temperatura, a massa do sistema e a substância e a fase da substância.
- 14.3: Mudança de fase e calor latente
- A energia é necessária para derreter um sólido porque as ligações coesivas entre as moléculas no sólido devem ser separadas de forma que, no líquido, as moléculas possam se mover com energias cinéticas comparáveis; portanto, não há aumento na temperatura. Da mesma forma, a energia é necessária para vaporizar um líquido, porque as moléculas em um líquido interagem umas com as outras por meio de forças atrativas. Não há mudança de temperatura até que uma mudança de fase seja concluída.
- 14.4: Métodos de transferência de calor
- Sempre que há uma diferença de temperatura, ocorre a transferência de calor. A transferência de calor pode ocorrer rapidamente, como por meio de uma panela, ou lentamente, como pelas paredes de uma caixa de gelo para piquenique. Todo processo que envolve transferência de calor ocorre por apenas três métodos: o calor é transferido por três métodos diferentes: condução, convecção e radiação.
- 14.5: Condução
- A condução de calor é a transferência de calor entre dois objetos em contato direto um com o outro. A taxa de transferência de calor\(Q/t\) (energia por unidade de tempo) é proporcional à diferença de temperatura\(T_2 - T_1\) e à área de contato\(A\) e inversamente proporcional à distância entre os objetos:\[\dfrac{Q}{t} = \dfrac{kA(T_2 - T_1)}{d}.\]
- 14.6: Convecção
- A convecção é a transferência de calor pelo movimento macroscópico da massa. A convecção pode ser natural ou forçada e geralmente transfere energia térmica mais rapidamente do que a condução. A tabela fornece fatores de resfriamento do vento, indicando que o ar em movimento tem o mesmo efeito de resfriamento do ar estacionário muito mais frio. A convecção que ocorre junto com uma mudança de fase pode transferir energia de regiões frias para regiões quentes.
- 14.7: Radiação
- O calor é transferido por radiação. Ou seja, o corpo quente emite ondas eletromagnéticas que são absorvidas pela nossa pele: nenhum meio é necessário para que as ondas eletromagnéticas se propaguem. Nomes diferentes são usados para ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos de onda: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e raios gama.
Miniatura: Os diferentes tipos de chama de um queimador Bunsen dependem do suprimento de oxigênio. À esquerda, um combustível rico sem oxigênio pré-misturado produz uma chama amarela de difusão de fuligem; à direita, uma chama magra totalmente oxigenada não produz fuligem. (Licença de documentação livre GNU, versão 1.2; Jan Fijałkowski).