A Condução térmica
A condução térmica é o processo de transmissão do calor em que a energia térmica se propaga de partícula do meio material. Isso pode ser verificado na prática com experiência bem simples. Se você cubri um bastão metálico com gotas de cera e colocar uma das extremidades no fogo, notará que a cera vai derretendo gradativamente a partir dessa extremidade.
O que ocorre é que as partículas em contato com a chama passam a vibrar com maior intensidade e essa vibração mais intensa vai se transferindo de partícula para partículas ao longo da barra.
Os matérias em que esse processo de transmissão do calor é acentuado são chamados Condutores térmicos (por exemplo os metais) e aqueles em que tal processo práticamente não ocorre são chamados isolantes térmicos (por exemplo, a madeira e o isopor).
A lei que rege esse processo de transmissão de calor foi determinada experimentalmente pelo matemático Françês Jean-Baptiste Fourier( 1768-1830). De acordo com a Lei de Fourier , a quantidade de calor Q que atravessa um material, sob uma diferença de temperatura invariável , é diretamente proporcional a área da seção atravessada A , á diferença de temperatura entre as regiões separadas pelo material
e ao tempo de transmissão sendo inversamente proporcional á extensão atravessada e.( Fig. 1.39)
A equação que traduz essa lei experimental é a seguinte:
No estudo da transferência de calor, condução térmica
ou difusão térmica (ou ainda condução ou difusão de calor)
é a transferência de energia térmica entre átomos e/ou moléculas
vizinhas em uma substância devido a um gradiente de temperatura. Noutras
palavras, é um modo do fenômeno de transferência térmica causado por uma
diferença de temperatura entre duas regiões em um mesmo meio ou entre
dois meios em contato no qual não se percebe movimento global da matéria na
escala macroscópica, em oposição à convecção
que é outra forma de transferência térmica.1 pg 153
Calor pode ser
transferido também por radiação e/ou convecção,
e frequentemente mais que um destes processos ocorre simultaneamente em uma
dada situação.
Fundamentos
Condução nos diversos estados da matéria
Condução ocorre em todas as formas de matéria, sólidos,
líquidos, gases e plasmas, mas não requer qualquer movimento macroscópico de
massa da matéria condutora, mas apenas de seus componentes subatômicos ou sua
vibração,
em escala microscópica. A condução é o meio mais importante de transferência de
calor dentro de um sólido ou objetos sólidos em
contato
térmico. A condução é maior nos sólidos, porque a rede espacial de relações
relativamente fixas entre os átomos contribui para a transferência de energia
entre eles por vibração.
2
3
4
A transferência inter-molecular de energia pode ser primariamente
por impacto elástico como em fluidos ou por difusão de elétrons livres como em
metais ou
vibração
de fônons como em
isolantes. Em isolantes o fluxo de calor é
conduzido quase inteiramente por vibração de
fônons.
Em termos mais específicos, em sólidos, se deve à combinação
das vibrações das moléculas em um
retículo cristalino e ao transporte de energia
por
elétrons livres.
5
Os elétrons susceptíveis ao movimento denominam-se
elétrons de condução
no
modelo do elétron livre.
6
A condução de calor no interior de um sólido é diretamente análoga a
difusão de
partículas dentro de um fluido, na situação em que não há correntes do fluido.
Para quantificar a facilidade com a qual um meio particular
conduz calor, os engenheiros empregam a
condutividade térmica, também conhecida como
constante ou coeficiente de condutividade,
k. Em condutividade térmica
k
é definido como "a quantidade de calor, Q, transmitida num tempo (t)
através de uma espessura (L), em uma direção normal à superfície de área (A),
devido à diferença de temperatura (ΔT) [...]." Condutividade térmica é uma
"
propriedade" do material que é
primariamente dependente da
fase
do meio, temperatura, densidade, e ligação molecular.
2
4
7
8
9
Efusividade térmica é uma quantidade derivada
da condutividade a qual é uma medida da capacidade de um material para trocar
energia térmica com suas redondezas. É, essencialmente, a
impedância térmica de uma amostra, ou seja, a
habilidade que uma amostra tem de trocar calor com o meio ambiente.
10
11
A
densidade diminui a realização da condução. Portanto, os
fluidos (e especialmente gases) são menos condutivos. Isto é devido à grande
distância entre os átomos de um gás: menos colisões entre átomos significa
menos condução. A condutividade dos gases aumenta com a temperatura. A condutividade
aumenta com a crescente pressão de vácuo até um ponto crítico que a densidade
do gás é de tal forma que as moléculas do gás pode ser previstas como colidindo
umas com as outros antes de transferir o calor de uma superfície para outra.
Após este ponto a condutividade aumenta ligeiramente com a crescente pressão e
densidade.
Condutância térmica de contato é o
estudo da condução de calor entre corpos sólidos em contato. Uma queda de
temperatura é frequentemente observada uma
interface entre as duas
superfícies em contato. Este fenômeno é dito ser o resultado de uma resistência
térmica de contato existente entre as superfícies em contato.
Resistência térmica interfacial é
uma medida de uma resistência de uma
interface ao fluxo térmico. Esta
resistência térmica difere da resistência de contato, já que ela existe mesmo
em
interfaces atomicamente perfeitas, nas quais cada átomo de uma
superfície esteja em posição no retículo cristalino dos sólidos, sem
interstícios ou soluções de continuidade,
defeitos na sua malha de átomos. Compreender a resistência
térmica na
interface entre dois materiais é de importância primordial no
estudo de suas propriedades térmicas.
Interfaces muitas vezes contribuem
de forma significativa para as propriedades observadas dos materiais.
Em termos mais estatísticos, em
fluidos (líquidos e
gases), o transporte de energia é resultante da não-uniformidade do número de
choques por unidade de volume, durante seu movimento aleatório, semelhante ao
fenômeno da
difusão molecular1
pg 158. Em sólidos, a condução de calor é fornecida conjuntamente
por condução de
elétrons e vibração da
rede cristalina (
fônon)
1
pg 160.
Os
metais
(
e.g. cobre,
platina,
ouro, etc.) e suas
ligas
(
e.g. latão,
bronze,
aço, etc.), sejam
sólidos ou líquidos (como em
temperatura ambiente o
mercúrio (elemento)), devido às suas elevadas
condutividades térmicas, são excelentes meios de propagação de calor, e são
normalmente os melhores condutores de energia térmica, pela sua relação com o
movimento de elétrons livres, que normalmente está associada à
condutividade elétrica.
12
Isto é devido ao meio pelo qual os metais são
quimicamente ligados:
ligações metálicas (como opostas a
ligações covalentes ou
iônicas) tem elétrons de livre movimentação os quais
são capazes de transmitir energia térmica rapidamente através do metal. O
"fluido elétrico" de um sólido metálico
condutivo conduz facilmente todo o fluxo de calor
através do sólido. Fluxo de fônons está ainda presente, mas carrega menos que
1% da energia. Elétrons também conduzem
corrente elétrica através de sólidos condutivos,
e as condutividades
térmica e
elétrica da maioria dos metais tem
aproximadamente a mesma razão. Um bom condutor elétrico, tal como a prata ou o
cobre (os metais de mais alta condutividade elétrica), normalmente também
conduz bem calor. O
efeito Peltier-Seebeck exibe a propensão dos
elétrons em conduzir calor através de um sólido eletricamente condutivo. A
termoeletricidade
é causada pela relação entre elétrons, fluxos de calor e correntes elétricas.
Lei de Fourier
A lei da condução térmica, também conhecida como lei de
Fourier, estabelece que o
fluxo de
calor através de um material é
proporcional ao
gradiente
negativo de temperatura. Podemos enunciar esta lei de duas formas
equivalentes: a forma integral, em que olhamos para a quantidade de
energia que flui para dentro ou para fora de um corpo como um todo; e a
forma diferencial, em que olhamos para os
fluxos de energia localmente. O fluxo de calor é a quantidade de energia que flui através de uma unidade de área por unidade de tempo.
Pode-se determinar o fluxo de calor transportado por condução pela Lei de Fourier:

A expressão acima aplica-se ao caso unidimensional, quando há gradiente de temperatura apenas na direção x.
Se a distribuição de temperatura for linear e, neste caso

, a equação acima toma a forma:

A constante k, é a
condutividade térmica
do material. Entre duas substâncias, a que tiver condutividade maior
conseguirá transferir uma quantidade maior de calor, para uma mesma
diferença de temperatura.
Teorização completa
Modelo de um tubo de aquecimento, resfriado por hastes metálicas
Existem várias
grandezas
envolvidas, mas entre elas existem duas que são de muita importância de
interesse prático no estudo de problemas de condução de calor. Estas
grandezas são a razão de fluxo de calor e a distribuição da temperatura.
As razões de fluxo de calor tratam da demanda de energia em um dado
sistema, quando se requer uma distribuição de temperaturas conveniente
para desenhar de maneira adequada no sistema, desde o ponto de vista dos
materiais. Em um fenômeno qualquer, uma vez que seja conhecida a
distribuição da temperatura é possível determinar as razões de fluxo de
calor com ajuda da denominada
Lei de Fourier (de 1822, estabelecida por
Jean Baptiste Joseph Fourier).
A distribuição da temperatura é linear, e o fluxo de calor é
constante de um extremo a outro de uma placa, para o caso da equação
radial produzida.
E portanto a distribuição da temperatura apresenta-se em forma logarítmica:

O
calor transferido 
é tratado pela
lei de Fourier
que descreve especificamente previsões (modelagens) de comportamento
para o caso simples de um corpo sólido, com duas paredes paralelas
14 15 :

A unidade de

é o
Watt (W), e sendo as grandezas:
a temperatura da superfície da parede mais quente
a temperatura da superfície da parede fria
da área através da qual o calor flui,
a condutividade térmica, geralmente um parâmetro do material dependente da temperatura, e
a espessura do corpo, medido de parede a parede.
Atualmente a transferência de calor é descrita através do conceito mais rigoroso de
fluxo de calor 
, em abordagens que visam reduzir-se aos tratamentos de Fourier e
Newton. A notação

é formulada a partir da derivada parcial no tempo do vetor fluxo de calor

. Aplica-se a seguinte definição:

Matematicamente, o fenômeno de "transferência de calor" é descrito por uma
equação diferencial parcial, apresentando um padrão
parabólico. Esta equação diferencial parcial, na forma especificada, apresenta a forma geral:

Sendo esta equação especial e chamada comumente
equação do calor. Note-se que esta forma da equação do calor é válida somente para meios
homogêneos e
isotrópicos; noutras palavras, para meios que possuem a mesma composição em todos os lugares
e
nenhuma orientação preferencial (ocorrem orientações preferenciais, por
exemplo, em fibras de materiais compostos, mas também por dilatações de
grãos em chapas de
aço laminadas, etc). Para estes casos - e
apenas para isso
, as propriedades materiais são adotadas com o objetivo de considerar
apenas as grandezas dependentes da temperatura. Estritamente falando, a
equação assim formulada não se aplica apenas quando o calor no corpo é
introduzido ou removido por fenômenos estranhos à modelagem utilizada,
sendo, neste caso, a fonte ou "fuga" um termo a ser adicionado ao
equacionamento. Com estas restrições, segue-se a seguinte forma da
equação do calor:
.-
-
-
-
-
-
-
-
- Colégio: Estadual Sofia Mascarenhas
- Grupo: Alayde Lopes, Jizélia Borges, Kelly Honorato e, Kesia Honorato e Paloma Pereira.
- Professora: Elizabethe Série: 2 ano "A"
- Disciplina: Física