A Ciência da Transferência de Calor: O que é a Condução?
Calor é uma forma interessante de energia. Não só sustenta a vida, nos torna confortáveis e nos ajuda a preparar nossos alimentos, mas a compreensão de suas propriedades é fundamental em muitos campos da pesquisa científica. Por exemplo, saber como o calor é transferido e o grau em que diferentes materiais podem trocar energia térmica governa tudo, desde construir aquecedores e compreender a mudança sazonal até enviar navios para o espaço.
Calor só pode ser transferido através de três meios: condução, convecção e radiação. Destes, a condução é talvez o mais comum, e ocorre regularmente na natureza. Em resumo, é a transferência de calor através do contacto físico. Ocorre quando se pressiona a mão sobre uma vidraça, quando se coloca um pote de água sobre um elemento ativo e quando se coloca um ferro no fogo.
Esta transferência ocorre a nível molecular – de um corpo para outro – quando a energia térmica é absorvida por uma superfície e faz com que as moléculas dessa superfície se movam mais rapidamente. No processo, elas chocam com seus vizinhos e transferem a energia para eles, um processo que continua enquanto o calor ainda estiver sendo adicionado.
O processo de condução de calor depende de quatro fatores básicos: o gradiente de temperatura, a seção transversal dos materiais envolvidos, o comprimento de seu trajeto e as propriedades desses materiais.
Um gradiente de temperatura é uma quantidade física que descreve em que direção e a que velocidade a temperatura muda em um local específico. A temperatura flui sempre da fonte mais quente para a mais fria, devido ao fato de que o frio nada mais é do que a ausência de energia térmica. Esta transferência entre corpos continua até que a diferença de temperatura decresça, e um estado conhecido como equilíbrio térmico ocorre.
Secção transversal e comprimento do caminho também são fatores importantes. Quanto maior o tamanho do material envolvido na transferência, mais calor é necessário para aquecê-lo. Também, quanto maior a área de superfície exposta ao ar livre, maior a probabilidade de perda de calor. Portanto, objetos mais curtos com uma seção transversal menor são o melhor meio de minimizar a perda de energia térmica.
Última, mas certamente não menos importante, são as propriedades físicas dos materiais envolvidos. Basicamente, quando se trata de conduzir calor, nem todas as substâncias são criadas iguais. Metais e pedras são considerados bons condutores, pois podem transferir calor rapidamente, enquanto materiais como madeira, papel, ar e tecido são maus condutores de calor.
Estas propriedades condutivas são classificadas com base num “coeficiente” que é medido em relação à prata. Neste aspecto, a prata tem um coeficiente de condução de calor de 100, enquanto que outros materiais são classificados mais baixos. Estes incluem o cobre (92), ferro (11), água (0,12) e madeira (0,03). No extremo oposto do espectro está um vácuo perfeito, que é incapaz de conduzir calor, e por isso é classificado em zero.
Materiais que são maus condutores de calor são chamados de isolantes. O ar, que tem um coeficiente de condução de 0,006, é um isolante excepcional porque é capaz de ser contido dentro de um espaço fechado. É por isso que os isoladores artificiais fazem uso de compartimentos de ar, tais como janelas de vidro de duplo painel, que são utilizadas para cortar as contas de aquecimento. Basicamente, eles funcionam como amortecedores contra perda de calor.
Peles, peles e fibras naturais são todos exemplos de isoladores naturais. Estes são materiais que permitem que aves, mamíferos e seres humanos permaneçam aquecidos. As lontras marinhas, por exemplo, vivem em águas oceânicas que muitas vezes são muito frias e seu pêlo luxuosamente espesso as mantém quentes. Outros mamíferos marinhos como leões marinhos, baleias e pinguins dependem de espessas camadas de gordura (também conhecida como borbulha) – um condutor muito pobre – para evitar a perda de calor através da sua pele.
Esta mesma lógica é aplicada a casas isolantes, edifícios e até mesmo naves espaciais. Nestes casos, os métodos envolvem ou bolsas de ar aprisionadas entre paredes, fibra de vidro (que aprisiona o ar dentro dela) ou espuma de alta densidade. As naves espaciais são um caso especial, e utilizam isolamento na forma de espuma, material composto de carbono reforçado, e telhas de fibra de sílica. Todos estes são maus condutores de calor e, portanto, evitam a perda de calor no espaço e também evitam que as temperaturas extremas causadas pela reentrada atmosférica entrem na cabine da tripulação.
Veja esta demonstração em vídeo das placas de calor no ônibus espacial:
As leis que regem a condução de calor são muito semelhantes à Lei de Ohm, que rege a condução elétrica. Neste caso, um bom condutor é um material que permite a passagem da corrente eléctrica (isto é, electrões) sem grandes problemas. Um isolante elétrico, pelo contrário, é qualquer material cujas cargas elétricas internas não fluem livremente, e por isso torna muito difícil conduzir uma corrente elétrica sob a influência de um campo elétrico.
Na maioria dos casos, materiais que são maus condutores de calor também são maus condutores de eletricidade. Por exemplo, o cobre é bom na condução tanto de calor como de electricidade, daí que os fios de cobre sejam tão amplamente utilizados na fabricação de electrónica. Ouro e prata são ainda melhores, e onde o preço não é um problema, estes materiais também são usados na construção de circuitos elétricos.
E quando se procura “aterrar” uma carga (ou seja, neutralizá-la), eles a enviam através de uma conexão física para a Terra, onde a carga é perdida. Isto é comum em circuitos elétricos onde o metal exposto é um fator, garantindo que as pessoas que acidentalmente entram em contato não sejam eletrocutadas.
Materiais isolantes, como a borracha nas solas dos sapatos, são usados para garantir que as pessoas que trabalham com materiais sensíveis ou ao redor de fontes elétricas estejam protegidas de cargas elétricas. Outros materiais isolantes como vidro, polímeros ou porcelana são comumente usados em linhas de energia e transmissores de alta tensão para manter a energia fluindo para os circuitos (e nada mais!)
Em resumo, a condução se resume à transferência de calor ou à transferência de uma carga elétrica. Ambos acontecem como resultado da capacidade de uma substância de permitir que moléculas transfiram energia através delas.
Escrevemos muitos artigos sobre condução para o Universo Hoje. Veja este artigo sobre a primeira lei da termodinâmica, ou este sobre electricidade estática.
Se quiser mais informações sobre a condução, veja o artigo da BBC sobre Transferência de Calor, e aqui está um link para The Physics Hypertextbook.
Também gravamos um episódio inteiro de Astronomy Cast sobre Magnetismo – Episódio 42: Magnetismo por toda parte.