Como acontece o processo de propagação de calor quando aquecemos a água em uma panela de fogão?

Falar a respeito do tema calor ainda pode trazer confusão para algumas pessoas. Em termologia, calor está ligado à transferência de energia térmica de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura, ou seja, calor é a energia em trânsito. Para melhor assimilação, vamos ao seguinte exemplo:

Vamos imaginar que, em um sistema isolado (dentro de uma caixa de isopor, por exemplo), foram colocados dois objetos. O objeto A, à temperatura de 200°C; e o objeto B, à temperatura de 20ºC. De acordo com a lei zero da termodinâmica, com o passar do tempo, a temperatura do objeto A diminui enquanto que a temperatura do objeto B aumenta, até que ambos atinjam a mesma temperatura, ficando em equilíbrio térmico. A energia que se transferiu do objeto A para o objeto B é chamada de calor ou energia térmica.

Tópicos deste artigo

• 1 - Mapa Mental: Calor
• 2 - Transmissão de Calor
• 3 - Condução
• 4 - Convecção
• 5 - Irradiação

Mapa Mental: Calor

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Transmissão de Calor

Para que ocorra troca de calor, é necessário que ele seja transferido de uma região a outra através do próprio corpo, ou de um corpo para outro. Existem três processos de transferência de calor estudados na termologia, são eles: condução, convecção e irradiação. A irradiação é a propagação de ondas eletromagnéticas que não precisam de meio para se propagar, enquanto que a condução e a convecção são processos de transferência que necessitam de um meio material para se propagar.

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Condução

Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de condução de calor é denominado condução. No caso dos metais, além da transmissão de energia de átomo para átomo, há a transmissão de energia pelos elétrons livres, ou seja, são os elétrons que estão mais afastados do núcleo e que são mais fracamente ligados aos núcleos, portanto, esses elétrons, colidindo entre si e com átomos, transferem energia com bastante facilidade. Por esse motivo, o metal conduz calor de modo mais eficiente do que outros materiais.

Convecção

Da mesma forma que o metal, os líquidos e os gases são bons condutores de calor. No entanto, eles transferem calor de uma forma diferente. Esta forma é denominada convecção. Esse é um processo que consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido. Por exemplo, vamos considerar uma vasilha que contenha água à temperatura inicial de 4°C. Sabemos que a água acima de 4ºC se expande, então ao colocarmos essa vasilha sobre uma chama, a parte de baixo da água se expandirá, tendo sua densidade diminuída e, assim, de acordo com o Princípio de Arquimedes, subirá. A parte mais fria e mais densa descerá, formando-se, então, as correntes de convecção. Como exemplo de convecção temos a geladeira, que tem seu congelador na parte de cima. O ar frio fica mais denso e desce, o ar que está embaixo, mais quente, sobe.

Irradiação

Podemos dizer que a irradiação térmica é o processo mais importante, pois sem ela seria praticamente impossível haver vida na Terra. É por irradiação que o calor liberado pelo Sol chega até a Terra. Outro fator importante é que todos os corpos emitem radiação, ou seja, emitem ondas eletromagnéticas, cujas características e intensidade dependem do material de que é feito o corpo e de sua temperatura. Portanto, o processo de emissão de ondas eletromagnéticas é chamado de irradiação. A garrafa térmica é um bom exemplo de irradiação térmica. A parte interna é uma garrafa de vidro com paredes duplas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor por condução. As partes interna e externa da garrafa são espelhadas para evitar a transmissão de calor por irradiação.

Por Domiciano Marques
Graduado em Física

*Mapa Mental por Rafael Helerbrock
Mestre em Física

Tópicos deste artigo

• 1 - O que é convecção térmica?
• 2 - Transmissão de calor por convecção
• 3 - Convecção, irradiação e condução
• 4 - Exemplos de convecção
  • → Forno convectivo
  • → Nuvem convectiva
  • → Ar-condicionado e aquecedor
• 5 - Resumo sobre convecção

O que é convecção térmica?

Convecção térmica, ou simplesmente convecção, é um processo de transmissão de calor. Quando um fluido, como o ar ou a água, é aquecido, suas porções mais quentes podem sofrer dilatação térmica, expandindo seu volume. Em outras palavras, esse fluido aquecido passa a ocupar um volume maior do que o fluido nos arredores.

Todo corpo inserido em um meio líquido ou gasoso sofre a ação de uma força vertical para cima, chamada de empuxo. Essa força é proporcional ao volume do fluido deslocado pelo corpo. Como o líquido aquecido passa a ocupar um volume maior, ele sofre mais empuxo e sobe, dando origem a um movimento ascendente. A subida do fluido aquecido dá espaço para que as porções mais frias e mais densas do fluido desçam, formando um movimento descendente. O processo continua até que todo o fluido esteja sob a mesma temperatura.

Transmissão de calor por convecção

Quando acendemos uma lareira ou fogueira, o calor é transmitido ao redor da região onde a madeira e queimada. Essa transmissão ocorre a partir de fenômenos como a convecção e a irradiação. Assim, é possível sentir o ar quente subir, levando consigo fuligem e outros gases produzidos durante a queima. Além disso, mesmo que não estejamos tão perto das fogueiras, conseguimos perceber o calor em virtude da grande emissão de raios infravermelhos.

No cozimento de alimentos, o líquido sofre processo de convecção até que todo seu volume fique em equilíbrio térmico, cessando as correntes convectivas. No início da cocção, a água que está em contato com o fundo da panela recebe calor por condução. O aumento de temperatura leva à diminuição de densidade, por isso, essa água um pouco mais quente sobe, transferindo calor às suas vizinhanças por meio de seu movimento ascendente. O processo repete-se até que todo o fluido atinja sua temperatura de ebulição.

Convecção, irradiação e condução

A convecção é um dos processos de transmissão de calor. Além dela, existem a condução e a irradiação. Confira a definição de cada um desses processos:

• Condução: é a transferência de calor mediante o contato entre as superfícies de dois ou mais corpos que se encontram em diferentes temperaturas.

• Convecção: é a transferência de calor que ocorre em fluidos que apresentam diferenças de temperatura em seu conteúdo. Quando é fornecido calor a um fluido, formam-se correntes convectivas, que transmitem o calor até que todo o fluido entre em equilíbrio térmico.

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• Irradiação: é transferência de calor realizada por meio de ondas eletromagnéticas. Todo corpo que se encontra em temperaturas diferentes do zero absoluto troca calor em forma de ondas eletromagnéticas constantemente com suas vizinhanças. O Sol, por exemplo, aquece a Terra por meio da emissão de infravermelho e luz visível, entre outras ondas eletromagnéticas.

Exemplos de convecção

Agora que já sabemos o que é convecção, que tal conferirmos alguns exemplos de situações em que esse processo está presente?

→ Forno convectivo

Os fornos convencionais, elétricos ou a gás, têm sua chama ou aquecedor localizado na parte mais baixa do forno. Dessa forma, o ar aquecido sobe, enquanto o ar mais frio desce, formando as correntes de convecção até que todo o forno fique na mesma temperatura.

→ Nuvem convectiva

As nuvens convectivas são conhecidas por serem muito longas, estendendo-se de 11 km até 23 km de altura. Seu formato alongado surge em virtude das correntes de ar quente que sobem em seu interior. No topo dessas nuvens, o ar ascendente ganha sentido horizontal, conferindo a essa categoria uma aparência achatada, como uma bigorna.

As nuvens convectivas mais famosas são as cúmulos-nimbo, responsáveis por grandes tempestades, chuvas de granizo e de neve e, até mesmo, furacões. Saiba mais sobre os tipos de nuvens clicando aqui.

Na figura acima, temos a distribuição de temperaturas em um furacão. Os tons azuis correspondem às regiões mais frias, enquanto os tons alaranjados e avermelhados são as regiões mais quentes.

Entre outros fatores, podemos dizer que os furacões formam-se em decorrência de uma grande diferença de temperatura entre o solo e a atmosfera, criando fortes correntes convectivas ascendentes e descendentes. Essas correntes são chamadas, respectivamente, de zonas de alta e de baixa pressão.

→ Ar-condicionado e aquecedor

Os ares-condicionados são instalados, geralmente, em locais altos, já que o ar frio que eles produzem é mais denso que o ar ambiente. Com isso, o ar frio desce, e o ar quente sobe, até que todo o cômodo esteja em equilíbrio térmico.

Os aquecedores, por sua vez, são colocados no chão ou em lugares baixos para que o ar quente emitido por eles possa subir, aquecendo todo o ambiente.

Resumo sobre convecção

• Convecção é uma das formas de transferência de calor e ocorre em decorrência da movimentação ascendente e descendente de porções de um fluido em diferentes temperaturas.

• Quando um fluido é aquecido, sua porção mais quente diminui de densidade, passando a sofrer mais com o empuxo. Assim, formam-se as correntes convectivas ascendentes.

Por Me. Rafael Helerbrock

Como acontece o processo de propagação de calor quando aquecemos a água em uma panela no fogão?

Qual a forma de propagação de calor que aquece o cabo da panela?

Qual o processo de propagação de calor que permite o aquecimento da colher em uma panela com água quente?

Quando colocamos uma panela com água para esquentar a transmissão de calor ocorre por?