Condução Térmica: fundamentos, aplicações e exercícios

A condução térmica, ou difusão térmica, é um tipo de propagação de calor que acontece num meio material devido à vibração e colisão das partículas.

Com o aumento da temperatura de um corpo sólido (seja por aquecimento ou contato com outro), a energia cinética das partículas também aumenta, resultado numa maior agitação.

O calor se move do lado mais quente para o lado mais frio, até atingir o equilíbrio térmico.

Lembre-se que o calor é a troca de energia que ocorre entre dois corpos. Assim, para se atingir o equilíbrio térmico (mesma temperatura), o corpo mais quente aquece o corpo mais frio através da transferência de energia térmica.

Alguns exemplos de condução térmica:

• Uma colher de metal esquenta quando deixada em uma panela quente.
• O calor de um ferro de passar roupa se transfere para o tecido.

Quando estamos fazendo comida, ao mexer na panela com uma colher, devemos escolher uma de plástico ou madeira. Isso porque são isolantes térmicos, dificultando a passagem de calor.

Por outro lado, uma colher de metal (alumínio, ferro, etc.) não é isolante térmico e conduz o calor rapidamente pelo material.

Ilustração do processo de condução térmica

Assim, com o calor emitido pela chama do fogão, a colher fica quente, podendo causar queimaduras. Isso explica porque a maioria das panelas são feitas de metais e os cabos de plástico ou madeira.

Além da condução térmica, existem mais duas formas de propagação do calor: a convecção térmica (por correntes de convecção) e a irradiação térmica (por ondas eletromagnéticas).

Princípios da Condução Térmica

Na condução térmica:

1. Átomos ou moléculas vibram mais intensamente em regiões mais quentes.
2. Essa vibração é transmitida para partículas vizinhas em regiões mais frias.
3. Não há movimento macroscópico de matéria (diferente da convecção).

Ilustração das agitações das moléculas por meio da condução térmica

Isolantes e Condutores Térmicos

A condução térmica depende do material utilizado, visto que alguns conduzem mais energia térmica que outros.

Como o próprio nome indica, um isolante térmico isola a passagem de calor. Os mais utilizados são: plástico, borracha, madeira, lã, isopor, dentre outros.

Por sua vez, os condutores térmicos facilitam a passagem de calor, por possuírem grande condutibilidade térmica. O condutor térmico mais comum é o metal.

Leia também:

• Calor e Temperatura
• Calorimetria
• Convecção Térmica
• Irradiação Térmica
• Propagação de Calor
• Calor Específico
• Calor Latente
• Calor Sensível
• Equilíbrio térmico

Lei da Condução Térmica

A Lei de Fourier determina o fluxo de calor na condução térmica. Ela considera a quantidade de calor recebida pelo corpo, o tempo, a temperatura, a área e espessura do material.

Sua fórmula é:

Onde:

Q: quantidade de calor (J)
Δt: variação do tempo (s)
K: coeficiente de condutibilidade térmica do material (W/ m . k)
A: área da superfície (m²)
ΔT: variação da temperatura (K)
d: espessura do material (m)

Exemplo de cálculo de quantidade de calor por condução térmica:

Um painel de cobre com k = 390 W/.k tem área de 2,0 m² e espessura de 0,1 m. As extremidades do painel estão a 100 °C e 25 °C. Qual é a quantidade de energia térmica transferida em 5 segundos?

Resolução:

É preciso ajustar as unidades de medida.

As temperaturas devem estar em Kelvin (K). Assim: K = °C + 273,15.

K_maior = 100 + 273,15 = 373,15

K _menor= 25 + 273,15 = 298,15

Substituindo os valores na fórmula:

Aplicações da Condução Térmica

As aplicações da condução térmica são amplas e englobam diversas áreas. No isolamento térmico, por exemplo, utilizam-se materiais isolantes para reduzir a transferência de calor.

Isso é evidente em aplicações como o revestimento de geladeiras, a confecção de roupas de frio e na construção civil, onde se visa minimizar a troca de calor com o ambiente externo.

Já na engenharia e tecnologia, a condução térmica é essencial no design de dissipadores de calor em eletrônicos, que facilitam a transferência de calor para o ambiente, prevenindo o superaquecimento.

Além disso, metais com alta condutividade térmica são frequentemente usados em trocadores de calor para maximizar a eficiência na transferência de energia térmica.

Exercícios sobre condução térmica

Exercício 1

(PUC-RS) No inverno, usamos roupas de lã baseados no fato de a lã:

a) ser uma fonte de calor.
b) ser um bom absorvente de calor.
c) ser um bom condutor de calor.
d) impedir que o calor do corpo se propague para o meio exterior.
e) n.d.a

Exercício 2

(PUC-SP) Analise as afirmações referentes à condução térmica:

I – Para que um pedaço de carne cozinhe mais rapidamente, pode-se introduzir nele um espeto metálico. Isso se justifica pelo fato de o metal ser um bom condutor de calor.

II – Os agasalhos de lã dificultam a perda de energia (na forma de calor) do corpo humano para o ambiente, devido ao fato de o ar aprisionado entre suas fibras ser um bom isolante térmico.

III – Devido à condução térmica, uma barra de metal mantém-se a uma temperatura inferior à de uma barra de madeira colocada no mesmo ambiente.

Podemos afirmar que:

a) I, II e III estão corretas.
b) I, II e III estão erradas.
c) apenas I está correta.
d) apenas II está correta.
e) apenas I e II estão corretas.

Exercício 3

(Mackenzie) Dos processos a seguir, o único onde praticamente todo o calor se propaga por condução é quando ele se transfere:

a) do Sol para a Terra.
b) da chama de um gás para a superfície livre de um líquido contido num bule que está sobre ela.
c) do fundo de um copo de água para um cubo de gelo que nela flutua.
d) de uma lâmpada acesa para o ar que a cerca.
e) de um soldador para o metal que está sendo soldado.

Estude com mais exercícios sobre temperatura e calor.