Condução térmica

A condução térmica é a propagação de calor entre corpos em temperaturas distintas, em que o calor fluirá do corpo mais quente em direção ao corpo mais frio sem que haja transferência de matéria. Ela tem origem principalmente nas vibrações das partículas nas regiões mais quentes.

Leia também: Convecção térmica — detalhes sobre outra forma de propagação de calor

Resumo sobre condução térmica

• A condução térmica é uma das formas de propagação de calor.
• Temos condução térmica por meio do contato entre superfícies ou corpos em diferentes temperaturas.
• O calor é transmitido por meio da agitação ou de colisões de moléculas ou do movimento de elétrons livres.
• Os isolantes térmicos conseguem manter a mesma temperatura por mais tempo que os condutores.
• Além da condução, temos a convecção e a radiação para se propagar o calor.

O que é condução térmica?

A condução térmica é o modo de transmissão de calor que ocorre quando dois corpos ou duas superfícies em diferentes temperaturas estão em contato uma com a outra, provocando o fluxo de calor do corpo mais quente para o corpo mais frio sem transferência de matéria.

Como funciona a condução térmica?

A condução térmica funciona nos corpos sólidos por meio da vibração das moléculas que compõem esse corpo ou pelo movimento de seus elétrons livres, e nos fluidos (líquidos e gases) por meio das colisões entre suas moléculas.

Quando os átomos do corpo mais quente colidem com (ou vibram) átomos do corpo mais frio, há transferência de energia para eles, o que provoca o aumento do seu grau de agitação — temperatura — até o equilíbrio térmico, quando todos os átomos tiverem a mesma temperatura.

Isolantes e condutores térmicos

• Isolantes térmicos: são materiais que conseguem dificultar a propagação de calor de uma região para outra. Alguns exemplos de isolantes térmicos são madeira, espuma térmica, algodão.

• Condutores térmicos: são materiais que conseguem facilitar a propagação de calor de uma região para outra. Alguns exemplos de condutores térmicos são os metais como alumínio, ferro e cobre.

Lei da condução térmica

A lei da condução térmica, também chamada de lei de Fourier, é uma lei da termologia que descreve que o fluxo de calor em corpos homogênios em regime estacionário de condução é diretamente proporcional à condutividade térmica do material, à área da secção transversal e à variação de temperatura entre as paredes; e inversamente proporcional à espessura da parede, dada pela fórmula:

\(\Phi = \frac{k \ \cdot \ A \ \cdot \ \Delta \ T}{l} \)

• Φ  → fluxo de calor, medido em Watt [W].
• k → condutividade térmica, medida em [W/m ∙ K].
• A  → área da secção transversal, medida em [m²].
• ∆T  → variação de temperatura entre as regiões separadas pela parede, medida em Kelvin [K].
• l  → espessura da parede ou extensão atravessada, medida em metros [m].

Condução, radiação e convecção

A condução, a convecção e radiação são formas de transmissão do calor. Na condução, o calor é transmitido por agitação ou colisões de moléculas ou movimento de elétrons livres. Já na convecção, o calor é transmitido pela variação de temperatura em um fluido que provoca o movimento de correntes convectivas. E na radiação, o calor é transmitido por ondas eletromagnéticas.

Acesse também: Propagação de calor — mais detalhes sobre as três formas de transmissão do calor

Aplicações da condução térmica

Existem diversas aplicações da condução térmica, pensando nisso, selecionamos algumas abaixo:

• Talheres se aquecendo quando estão dentro de uma panela ao fogo.
• Uma pessoa se aquecendo em contato com outra.
• Colocar gelo em bebidas ou alimentos para ficarem gelados.
• Mãos se aquecendo ao pegar em uma xícara de café quente.
• Derretimento de um metal em contato com uma superfície quente.

Curiosidades sobre condução térmica

Existem diversas curiosidades a respeito da condução térmica, pensando nisso, selecionamos algumas abaixo:

• A lei da condução térmica foi formulada pelo físico e matemático Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830).
• O ar é um mal condutor de calor, mas um bom isolante térmico.
• A condução de calor ocorre de diferentes maneiras em diferentes materiais.
• Na condução térmica, a área de contato influencia na propagação de calor.
• A condução térmica de calor é crucial na manutenção da temperatura corporal dos animais endotérmicos.

Exercícios resolvidos sobre condução térmica

Questão 1

(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.

Resolução:

Alternativa E.

O único processo em que praticamente todo o calor se propaga por condução é quando ele se transfere de um soldador para o metal que está sendo soldado por meio do contato entre eles.

Questão 2

(Unicamp) Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível.

Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido.

I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por __________.

II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por __________.

III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por __________.

Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são:

A) condução, convecção e radiação.

B) condução, radiação e convecção.

C) convecção, condução e radiação.

D) convecção, radiação e condução.

Resolução:

Alternativa D.

I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por convecção.

II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é a radiação.

III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por condução.

Fontes

ÇENGEL, Yunus A.; GHAJAR, Afshin J. Transferência de calor e massa. AMGH editora, 2009.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica (vol. 2). 10. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2016.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). Editora Blucher, 2015.