Exercícios sobre propagação de calor (com gabarito explicado)

Resposta correta: alternativa c) Convecção, pois as porções de leite aquecidas ficam menos densas e sobem, enquanto as porções mais frias descem, estabelecendo um ciclo de circulação.

A convecção é o processo predominante de transferência de calor em fluidos (líquidos e gases).

Quando o fundo da panela é aquecido, o leite que está em contato com ele também se aquece.

Ao aquecer, o leite se dilata, tornando-se menos denso. Por ser menos denso, ele sobe. Ao subir, cede calor para as camadas superiores e para o ambiente, resfriando-se e tornando-se mais denso novamente.

Esse leite mais frio e denso desce, ocupando o lugar do leite que subiu, para ser novamente aquecido.

Este movimento de sobe e desce das porções do fluido cria correntes de convecção que distribuem o calor por todo o volume do leite, aquecendo-o uniformemente.

A descrição na questão ("porções que estão no fundo da panela subindo e as porções mais frias descendo") ilustra perfeitamente esse fenômeno.

Resposta correta: alternativa b) Pintar o telhado de branco para refletir melhor a luz do Sol.

A radiação é a transferência de calor por ondas eletromagnéticas (como a luz solar), independentemente de meio material.

Telhados escuros absorvem mais radiação; ao pintar o telhado de branco que possui alta refletância e alta emissividade adequada, reduz-se a absorção da radiação solar incidente, diminuindo o aquecimento do telhado e, consequentemente, do interior da casa.

Por que as outras estão incorretas ou não são principalmente radiação?

a) A lã de vidro atua principalmente contra a condução (e também limita convecções internas), não contra a radiação incidente do Sol.

c) As venezianas melhoram a convecção, permitindo que o ar quente suba e seja removido, mas não reduzem diretamente a radiação solar absorvida.

d) Aumentar a espessura das telhas altera a inércia térmica e a condução, podendo atrasar o aquecimento, mas não reduz a radiação incidente.

Resposta correta: alternativa a) O metal é um excelente condutor térmico, permitindo que o calor do chocolate quente se propague rapidamente através de sua estrutura, enquanto o plástico é um isolante térmico.

A questão aborda a propagação de calor por condução, que é o mecanismo predominante quando há contato direto entre materiais e o calor se transfere de partícula para partícula.

Metais são conhecidos por serem bons condutores térmicos. Isso significa que a energia térmica (ou calor) se move facilmente e rapidamente através de sua estrutura molecular, fazendo com que a colher inteira, mesmo a parte que não está submersa, esquente rapidamente. As partículas (elétrons livres, em particular) nos metais são muito eficazes em transferir energia vibracional umas às outras.

O plástico, por outro lado, é um isolante térmico (ou mau condutor térmico). Suas partículas não transferem calor com a mesma facilidade e rapidez que as do metal. Por isso, mesmo que a parte do cabo da panela esteja exposta ao calor da chama ou ao vapor do líquido quente por convecção, o calor não se propaga de forma eficiente ao longo do cabo, mantendo-o morno ou frio ao toque.

Vamos analisar as alternativas incorretas:

b) Incorreta: A densidade está relacionada à massa por volume, mas não é o fator principal que explica a diferença na rapidez da propagação do calor através do material em si.

c) Incorreta: Embora a radiação seja uma forma de propagação de calor, a diferença primária na sensação térmica ao tocar a colher e o cabo não é devido à radiação que eles emitem ou absorvem do ambiente neste contexto, mas sim à condução de calor a partir do líquido quente.

d) Incorreta: O plástico não dissipa calor por convecção de maneira mais eficiente que o metal de forma a explicar a grande diferença de sensação térmica nesse cenário. Ambos estariam expostos ao ar (que dissiparia por convecção), mas a principal diferença é como o calor chega a essas partes pelo material.

Resposta correta: alternativa d) As camadas criam bolsões de ar parado entre elas, e o ar é um excelente isolante térmico, dificultando a condução e a convecção do calor.

Para entender a eficácia de múltiplas camadas de roupa, precisamos considerar os principais mecanismos de propagação de calor:

• Condução: Transferência de calor através do contato direto de moléculas.
• Convecção: Transferência de calor por meio do movimento de fluidos (líquidos ou gases).
• Radiação: Transferência de calor por ondas eletromagnéticas, sem a necessidade de um meio material.

Quando usamos várias camadas de roupas, o principal efeito é a criação de pequenos bolsões de ar entre as camadas.

O ar parado (não em movimento) é um dos melhores isolantes térmicos conhecidos, e isso se deve a duas razões principais:

1. Dificulta a Condução: As moléculas de ar são relativamente espaçadas, e a energia térmica não se propaga facilmente de uma para outra por contato direto.
2. Dificulta a Convecção: Ao ser "preso" entre as camadas, o ar não pode se movimentar livremente para formar correntes de convecção, que seriam responsáveis por remover o calor do corpo para o ambiente mais frio.

Portanto, essas camadas de ar funcionam como uma barreira muito eficiente que impede o calor do corpo de se dissipar rapidamente para o ambiente.

Resposta correta: alternativa c) Convecção, pois o ar quente, menos denso, sobe e forma uma corrente ascendente mais concentrada.

Para entender a diferença na sensação térmica, precisamos analisar os mecanismos de propagação de calor:

Condução: É a transferência de calor por contato direto entre partículas. O aquecedor aquece o ar que está em contato com sua superfície por condução. No entanto, o ar é um mau condutor térmico, e a condução não explica a propagação eficaz do calor a uma certa distância ou a sua concentração em uma direção específica no ambiente.

Radiação: É a transferência de calor por ondas eletromagnéticas (como a luz infravermelha), sem a necessidade de um meio material. O aquecedor, por estar quente, emite calor por radiação em todas as direções (isotropicamente, ou seja, de forma relativamente uniforme). Essa radiação é a responsável por João sentir algum calor ao lado do aquecedor. No entanto, a radiação não se "concentra" preferencialmente para cima de forma a justificar uma diferença tão acentuada.

Convecção: É a transferência de calor por meio do movimento de fluidos (líquidos ou gases). Quando o ar próximo à superfície quente do aquecedor é aquecido, ele se torna menos denso e, por isso, sobe. Esse movimento de massa de ar quente cria uma corrente de convecção ascendente. É essa corrente de ar quente, carregando uma grande quantidade de energia térmica, que atinge a mão de João quando ele a coloca acima do aquecedor, proporcionando uma sensação de calor muito mais intensa e concentrada do que o calor sentido apenas por radiação ao lado.

Analisando as alternativas:

a) Incorreta: Embora haja condução da mão para o ar quente que a toca, a propagação do calor do aquecedor até a mão a uma certa distância e a concentração desse calor acima são explicadas pela convecção, não pela condução direta através do ar estático.

b) Incorreta: A radiação se propaga em todas as direções. Embora parte da radiação vá para cima, a intensidade percebida não se justifica por uma preferência direcional da radiação, mas sim pelo movimento do ar (convecção).

c) Correta: O ar aquecido pelo aquecedor fica menos denso e sobe, criando uma corrente de convecção que carrega calor de forma muito eficaz para as regiões acima do aquecedor.

d) Incorreta: O efeito Joule é o fenômeno pelo qual a corrente elétrica aquece o próprio aquecedor. Não descreve a forma como o calor é transferido do aquecedor para o ambiente ou sua concentração para cima.

Resposta correta: alternativa d) O metal é um bom condutor térmico, retirando calor do seu corpo mais rapidamente, enquanto a madeira é um isolante térmico, dificultando essa transferência.

A sensação de "frio" que percebemos ao tocar um objeto está diretamente relacionada à velocidade com que esse objeto consegue retirar calor do nosso corpo (que está mais quente).

O mecanismo de propagação de calor envolvido no contato direto é a condução.

Metais são, em geral, excelentes condutores térmicos. Isso significa que a energia térmica (calor) se propaga muito rapidamente através de sua estrutura molecular.

Quando sua mão (a aproximadamente 36°C) toca o banco de metal (que está, por exemplo, a 5°C), o metal é capaz de conduzir e retirar o calor da sua mão de forma muito eficiente e rápida. Essa rápida perda de calor pela sua mão é o que causa a intensa sensação de frio.

A madeira, por outro lado, é um mau condutor térmico ou um bom isolante térmico. Ela não permite que o calor se propague através de sua estrutura com a mesma facilidade que o metal.

Quando sua mão toca o banco de madeira, o calor é retirado do seu corpo a uma taxa muito menor. Sua mão perde calor mais lentamente, e por isso a sensação de frio é menos intensa, mesmo que a temperatura inicial da madeira seja a mesma do metal.

Resposta correta: alternativa d) V – V – F.

Vamos analisar cada afirmativa com base nos princípios da propagação de calor: condução, convecção e radiação.

Afirmativa I: (V) Verdadeira

Condução é a transferência de calor que ocorre por contato direto entre as partículas de um material. O calor se propaga de molécula para molécula.

O vácuo é a ausência de matéria. Como não há partículas no vácuo, a transferência de calor por condução (e também por convecção) é praticamente impossível. A parede dupla de vidro, com o espaço evacuado entre elas, cria uma barreira extremamente eficiente contra a condução de calor do líquido quente para a parede externa da garrafa e vice-versa, mantendo a temperatura interna.

Afirmativa II: (V) Verdadeira

Convecção é a transferência de calor que ocorre através do movimento de fluidos (líquidos e gases). O ar aquecido se torna menos denso e sobe, enquanto o ar mais frio desce, criando correntes.

Uma rolha bem vedada na boca da garrafa térmica é crucial para isolar o conteúdo do ambiente. Ela impede que o ar quente de dentro da garrafa (que está em contato com o café) se mova para fora e seja substituído por ar frio do ambiente, cortando efetivamente as correntes de convecção que levariam o calor para longe.

Afirmativa III: (F) Falsa

Radiação é a transferência de calor por ondas eletromagnéticas (como a luz infravermelha), que não precisa de um meio material.

As superfícies espelhadas ou prateadas no interior da garrafa térmica são projetadas para refletir a radiação térmica. Um bom refletor é um mau absorvedor e um mau emissor.

Elas refletem o calor irradiado pelo café de volta para o próprio café, minimizando a perda de calor para fora.

Elas também refletem qualquer radiação térmica do ambiente de volta para o ambiente, minimizando a entrada de calor (se o objetivo fosse manter algo frio).

A afirmativa diz que as superfícies aumentam a absorção da radiação do café. Se a superfície absorvesse o calor do café, ela própria se aqueceria e depois irradiaria esse calor para fora, o que seria contraproducente para manter o café quente. Portanto, essa afirmativa está incorreta. O objetivo é refletir, não absorver, o calor do café.

Resposta correta: alternativa c) V - V - F.

Vamos analisar cada afirmativa com base nos princípios da propagação de calor: condução, convecção e radiação.

Afirmativa I – Verdadeira

O calor se propaga ao longo da colher de metal por condução, que é a transferência de energia térmica através do material, de partícula em partícula, sem transporte de matéria.

Metais são bons condutores, por isso o cabo esquenta mesmo estando fora da sopa.

Afirmativa II – Verdadeira

O ar próximo à chama se aquece, fica menos denso e sobe, levando calor consigo.

Esse movimento do fluido (ar) é um exemplo típico de convecção, que é a propagação de calor com transporte de matéria.

Afirmativa III – Falsa

O aquecimento do rosto de Cibele ao lado do fogão, sem estar no fluxo de ar quente que sobe, ocorre principalmente por radiação térmica (ondas eletromagnéticas emitidas pela chama e pela panela quente), e não por condução através do ar.

O ar é mau condutor de calor, e a condução pelo ar nessa distância é desprezível.