Como ocorre os processos de propagação do calor no aquecedor solar?

Quando tocamos a madeira da porta e a ma�aneta temos a sensa��o que a ma�aneta est� mais fria que a madeira, porque a quantidade de calor trocada entre a m�o e o metal da ma�aneta � maior que a quantidade de calor trocada entre a m�o e a madeira. Isto ocorre porque o metal da ma�aneta � melhor condutor de calor do que a madeira da porta.

Os metais s�o excelentes condutores de calor, por isso, o alum�nio � utilizado na confec��o de panelas, enquanto que a cer�mica, que � um material pouco condutor, denominado mau condutor ou isolante, � utilizada na confec��o de pratos.

Se voc� segurar uma barra de um metal qualquer sobre uma chama, ap�s alguns minutos ir� sentir que a temperatura da barra est� aumentado e, dependendo do metal, em um pouco mais de tempo voc� ter� que largar a barra, se n�o quiser queimar sua m�o.

Como ocorre o processo de condu��o do calor?

Quando fornecemos calor a um corpo, atrav�s de uma fonte de calor, como uma chama, a parte do corpo, em contato com a fonte, ir� se aquecer, e seus �tomos ir�o se mover mais rapidamente, (adquirindo maior energia cin�tica) o que produz colis�es com os �tomos vizinhos, que da mesma forma ir�o interagir com os seus �tomos vizinhos, at� que todo corpo esteja aquecido. Esse � processo de transfer�ncia de energia denominado condu��o.

Na simula��o abaixo, podemos observar o processo de condu��o do calor numa chapa met�lica.

Isso explica porque toda a panela fica aquecida, inclusive as partes que n�o est�o em contato com a chama do fog�o, e o porqu� da necessidade de cabos de madeira.

Qual a diferen�a entre os materiais condutores e isolantes?

Os s�lidos possuem os el�trons externos fracamente ligados, sendo que nos metais, esses el�trons est�o mais fracamente ligados ainda e s�o livres para transportar energia atrav�s de colis�es no metal e por isso os metais s�o chamados bons condutores de calor. J� os materiais, como a madeira e a corti�a, possuem seus el�trons externos fortemente ligados, o que n�o permite uma boa propaga��o de calor e por isso s�o chamados de isolantes.

Tamb�m s�o isolantes t�rmicos, o ar e o gelo. O ar � utilizado pelos p�ssaros, no inverno. Eles eri�am suas penas para reter uma camada de ar, isolando o corpo do ambiente. E o gelo � utilizado pelos esquim�s na confec��o de iglus.

Cada material possui um coeficiente de condutividade t�rmica, que expressa a quantidade de calor conduzida por segundo atrav�s de uma camada de 1m de espessura por 1m2 de �rea a uma diferen�a de 1oC na temperatura. Dos metais, a temperatura ambiente, a prata � o que possui maior coeficiente de condutividade e dos gases, a 0oC, � o ar. Veja na tabela abaixo alguns valores.

E agora vejamos alguns experimentos: CONDU��O NOS S�LIDOS I, II e III.

� o processo de transfer�ncia de calor que ocorre atrav�s do deslocamento de camadas de um fluido, isto significa que ocorre com os l�quidos e os gases.

� o que ocorre, por exemplo, com a �gua em uma panela no fogo. A fonte de calor - a chama - aquece a �gua da parte inferior, que se torna menos densa e sobe devido ao empuxo, enquanto a �gua da parte superior, que est� mais densa que a de baixo, desce. Assim, uma corrente de massa de �gua se forma no interior da panela e ocorre o que chamamos de deslocamento de camadas ou de massa de fluido, no caso a �gua. E essa corrente de convec��o ir� ocorrer enquanto houver diferen�a de temperatura entre as mol�culas do fluido.

As correntes de convec��o ocorrem na atmosfera, e pr�ximo a superf�cie facilitam o v�o de p�ssaros que as utilizam para atingir grandes alturas.

Tamb�m afetam o clima. As correntes de ar que se movimentam das regi�es mais aquecidas e de baixa press�o para as regi�es mais frias e de alta press�o. Quando correntes de ar colidem - como as que movem-se das regi�es polares em dire��o ao Equador e as correntes em sentido inverso, chamadas de tropicais, que em geral s�o quentes e �midas - ocorrem tempestades. Essas massas de ar, quentes e frias s�o as chamadas frentes quentes e frias.

Nas cidades onde h� grande circula��o de ve�culos ou ind�strias os gases expelidos sobem porque s�o mais quentes e menos densos que o ar atmosf�rico e o ar das camadas mais altas, descem, ocorrendo uma renova��o do ar, mas isso depende da temperatura ambiente. No inverno, o ar pr�ximo ao solo pode estar mais frio que o ar das camadas mais altas da atmosfera, o que � denominado invers�o t�rmica e ent�o, o ar n�o sobe o que facilita a forma��o de polui��o.

Alguns eletrodom�sticos tamb�m funcionam com base na convec��o do calor. No refrigerador, por exemplo, o congelador fica na parte superior para que as correntes de ar, circulem de cima para baixo, resfriando o interior.

Na geladeira, ar em contato com a serpentina, pr�xima ao congelador, se torna mais frio, mais denso e desce, e ao atingir a parte inferior j� est� menos frio e portanto, menos denso, logo torna a subir, gerando a corrente de convec��o. E para facilitar esse processo de resfriamento � necess�rio que as prateleiras sejam vazadas e que n�o sejam forradas, pois isso dificultaria a passagem do ar. Al�m disso, � por este motivo que a gaveta de verduras que n�o precisam ser muito frias, ficam na parte inferior e a gaveta de carnes, fica na parte superior.

Da mesma forma que o congelador na geladeira, o ar condicionado, para produzir melhor resfriamento deve ser instalado na parte superior das paredes, porque o ar frio sai para cima e como � denso, desce, enquanto que o ar mais quente sobe, e ent�o a refrigera��o do ambiente � mais eficiente. Para produzir aquecimento, com um ar condicionado ou lareira, o ideal � instalar pr�ximo ao solo.

E agora vejamos uma demonstra��o e alguns experimentos: CONVEC��O I, II e III.

Nossa maior fonte de irradia��o t�rmica � o Sol, nossa maior fonte de energia. Por isso, a radia��o � considerada o principal processo de transmiss�o do calor, pois sem ela o calor do Sol n�o chegaria at� n�s.

A radia��o t�rmica � uma onda eletromagn�tica e est� relacionada com a radia��o luminosa. Por exemplo, um peda�o de ferro quando possui sua temperatura elevada passa a emitir luz, que passa da vermelha, pela laranja, amarela at� a branca emitindo calor. Podemos observar fen�meno semelhante quando acendemos uma l�mpada incandescente. O filamento de tungst�nio modifica sua cor enquanto sua temperatura aumenta.

A diferen�a entre a radia��o t�rmica e a luminosa est� na freq��ncia da radia��o. A superf�cie do Sol com alta temperatura, em compara��o com a superf�cie da Terra, emite com alta freq��ncia.

O processo de radia��o do calor � hoje em dia muito utilizado em aquecedor solar e de ambientes e no forno microondas e neste a radia��o possui uma freq��ncia bem definida, que s� faz vibrar as mol�culas de �gua dos alimentos.

Tamb�m a radia��o infravermelha � utilizada no tratamento de les�es no corpo, com aparelhos como o da figura ao lado que s�o colocados pr�ximo � les�o.

Ao contr�rio dos processos de condu��o e convec��o, a radia��o n�o necessita de meio material para ocorrer, isto �, pode ocorrer no v�cuo, pois � uma onda eletromagn�tica.

N�o apenas os corpos aquecidos emitem radia��o, mas todos os corpos emitem energia radiante continuamente, a menos que estejam a zero kelvin ou zero absoluto que � a temperatura mais baixa poss�vel.

Se os corpo emitem energia continuamente, ela n�o esgotar�?

Os corpo bons emissores de radia��o s�o tamb�m bons absorvedores de radia��o.

Os corpos bons emissores e absorvedores de radia��o s�o chamados corpos negros.

Um corpo negro n�o precisa ser de cor preta. Por exemplo, quando olhamos a janela de um pr�dio distante, ele nos parece escuro, mesmo se suas paredes est�o pintadas de branco, ent�o a janela � considerada por n�s um corpo negro. Esses corpos absorvem calor mais rapidamente do que os corpos claros e tamb�m emitem mais calor do que estes.

O f�sico austr�aco Josef Stefan (esquerda) verificou experimentalmente e formulou uma lei sobre a emiss�o da energia radiante de um corpo negro e o f�sico Ludwig Boltzmann (direita) deduziu essa mesma lei que hoje chamamos de LEI DE STEFAN-BOLTZMANN que diz que o poder de emiss�o de um corpo negro � diretamente proporcional � quarta pot�ncia de sua temperatura absoluta, ou seja, a energia irradiada na unidade de tempo, por unidade de �rea - E - � proporcional a temperatura - T - da seguinte forma: onde a constante de proporcionalidade vale 5,67x10-8W/m2K4.

Um efeito da emiss�o de radia��o est� no que chamamos "EFEITO ESTUFA".

O efeito estufa na Terra ocorre quando a temperatura da superf�cie da Terra aumenta quando os fluxos de energia provenientes do Sol e da pr�pria superf�cie s�o absorvidos por gases, como di�xido de carbono e metano.

Quando os gases absorvem radia��o, principalmente, infravermelha, ocorre o aquecimento da atmosfera que passa a emitir radia��o, que aquece a superf�cie terrestre, ou seja, causando o que � chamado de "aquecimento global", o que atualmente tem gerado muitos estudos cient�ficos e debates sobre suas conseq��ncias e medidas preventivas.

Como a ocorr�ncia excessiva do efeito estufa causa um desequil�brio para a vida na Terra � preciso que o homem cuide da natureza para evitar altera��o significativa nos gases presentes na atmosfera.

Tamb�m h� estufas constru�das para evitar a troca de calor do seu interior para o exterior. A luz do Sol incide nos objetos no interior da estufa que absorvem essa radia��o e emitem radia��o infravermelha. Como normalmente possuem paredes de vidro, que n�o deixam passar raios infravermelhos, ocorre o aquecimento no interior da estufa, facilitando, por exemplo, o cultivo de plantas.

Conforme a emiss�o temos a cor e temperatura dos objetos.