Física & Química

Condução térmica, o que é? Como ocorre, materiais e condutores

A condução térmica é um fenômeno que ocorre em todas as substâncias e está relacionada a transferência de calor, é mais frequente nos sólidos.

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A condução térmica é um fenômeno que ocorre em todas as substâncias e está relacionada à transferência de calor. Porém, este fenômeno ocorre mais nos estados sólidos, pelo fato das substâncias nesse estado facilitarem as trocas de energia entre seus átomos.

Contudo, essa facilidade é explicada porque nesse estado os átomos estão dispostos em uma rede cristalina. Porém, vale lembrar que na condução térmica não ocorre a transferência de matéria e a função dessa transferência é o equilíbrio térmico. Neste sentido, as partes do corpo não se deslocam, havendo apenas transmissão da agitação molecular.

Basicamente, todas as substâncias propagam calor, sendo que umas têm mais potencial que outras. Porém, é importante lembrar que a condução térmica é uma forma específica de propagação de calor, existem outras formas como: a convecção térmica e a irradiação térmica.

Como ocorre a condução térmica?

Basicamente, quando os átomos interagem por possuírem temperaturas diferentes, em um movimento de equilíbrio térmico, ocorre a condução térmica. Portanto, no aquecimento de um corpo físico, os átomos mais oscilantes em amplitude transferem parte de sua energia para átomos vizinhos.

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Condução térmica, o que é? Como ocorre, materiais e condutores
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Contudo, essa transferência se dá por colisão e vibração. Os átomos com mais amplitudes vão diminuindo enquanto outros aumentam, chegando em uma situação de equilíbrio, o sistema distribui a temperatura de forma igualitária.

Podemos elencar algumas diferentes transferências de calor:

  • Gases: transferência por meio de colisões entre átomos;
  • Sólidos não metálicos: condução por meio de vibrações;
  • Sólidos metálicos: condução por propagação de vibrações e pela movimentação dos elétrons livres.

Isolantes e condutores

Primeiramente, os materiais que possuem mais capacidade de condução térmica, geralmente são os metais, porque a propagação acontece por vibração e também por movimentação elétrica.

Neste sentido, quando existe a necessidade de materiais que conduzam energia para conexões e aquecimento de substância, utilizam-se os metais.

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Por outro lado, se precisarmos de isolantes para proteger ligações elétricas ou conseguir mais estabilidade térmica utilizaremos o isopor, a borracha, plástico e outros materiais de menor condução térmica.

Neste sentido, um bom exemplo disso é quando estamos cozinhando. Neste caso, utilizo a panela de metal para conseguir um aquecimento rápido e eficaz, só que para mexer o alimento na panela,  para eu não me queimar, eu utilizo um material com menor condução térmica, como é o caso de uma colher de madeira.

Os diferentes processos de propagação de calor

  • Irradiação térmica: acontece por meio de ondas eletromagnéticas e pode acontecer no vácuo. Assim, o exemplo mais proeminente é o sol enviando calor para a terra
  • Condução térmica: propagação por contato direto entre as moléculas, não acontece no vácuo.
  • Convecção térmica: Ocorre em fluidos e em gases, sem acontecer no vácuo.  Portanto, a transferência de calor ocorre pela corrente de convecção do ar, na existência de uma fonte de calor como fogueira, estufa, forno.
  • Convecção térmica em líquidos: Basicamente, as porções mais quentes nas regiões inferiores de um recipiente com líquido, tendo sua densidade diminuída, sobem. Porém, as porções mais frias da região superior tendem a ter maior densidade e então elas descem. Assim, formam correntes ascendentes e descendente no recipiente. Estas correntes são denominadas de correntes de convecção.
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Materiais conservantes de calor

Contudo, vale lembrar que o ar, e outros gases geralmente são bons isolantes térmicos. Portanto, muitos dos materiais isolantes são conservadores térmicos, por apresentarem poros de armazenamento de ar, como é o caso do isopor, polímeros e aerogel de sílica.

A propósito, existem materiais naturais que apresentam poros como as penas dos pássaros, a pele e o couro. Por outro lado, o calor pode ser perigoso para as pessoas ou destrutivo para alguns materiais. Assim, utilizam-se isolantes térmicos para minimizar a transferência de calor entre corpos a diferentes temperaturas.

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Assim, isso acontece nas geladeiras de isopor, nos agasalhos feitos de matérias isolantes, nas paredes de fogões e refrigeradores, isolados do exterior por materiais como lã de vidro, poliuretano e nos cabos de panelas feitos de madeiras.

Lei da condução térmica

Basicamente, para determinar a quantidade de calor em uma condução térmica é utilizada a lei de Fourier. Nesse sentido, essa lei considera fatores como, quantidade de calor recebido, tempo, temperatura, área e espessura do material.

Condução térmica, o que é? Como ocorre, materiais condutores e isolantes
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Sua fórmula é:

Q/Δt = K.A. Δ0/L

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Onde

  • Q: quantidade de calor;
  • Δt: variação do tempo;
  • K: coeficiente de condutibilidade térmica;
  • A: Área da superfície;
  • Δ0: variação da temperatura;
  • L: espessura do material.

Contudo, é importante lembrar que Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) foi um físico e matemático francês que viveu na época de Napoleão, para quem trabalhou na França e no Egito.

A propósito, vale lembrar, que estudando a propagação de calor em corpos sólidos, desenvolveu um recurso matemático importante (as séries de Fourier) que facilita a descrição de funções complicadas.

Condutividade térmica

Primeiramente, para termos uma ideia de mensuração da condutividade térmica precisamos estabelecer a relação entre matérias com alta condução e os que têm baixa condução térmica.

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Neste sentido, os materiais com maior condutividade térmica, são os metais e os que têm menos condutividades são, a madeira, borracha, isopor e outros com formação não metálicas.

Porém, existe outro fator que depende da condutividade térmica, a sensação térmica. Neste caso, existem materiais que a transferência de calor ocorre mais rápida e outros mais lenta.

Assim, quando eu toco em um objeto de metal eu tenho a sensação térmica de frio relacionada ao objeto, porque o calor de minha mão se transferiu de forma bem rápida. Por outro lado, quando toco em uma mesa de madeira, por exemplo, eu não tenho essa mesma sensação, porque a madeira conduz o calor de forma muito lenta.

Condução térmica e alguns materiais

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Condutividade de alguns  metais 27° (300K)

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  • Grafeno – 4115
  • Alumínio – 237
  • Cobre – 401
  • Ferro – 80,2
  • Ouro – 317
  • Prata – 429
  • Tungstênio – 174

Condutividade de outros materiais

  • Madeira – 0,13
  • Vidro – 0,79
  • Tijolo – 0,6

Condução do calor no dia a dia

Várias situações práticas têm a presença da preocupação com a condução térmica. Neste sentido, os esquimós fazem suas casas, os iglus, com blocos de neve compactada, porque o gelo um grande isolante térmico, mantém o ambiente interno mais quente que o ambiente externo.

Condução térmica, o que é? Como ocorre, materiais condutores e isolantes
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Por outro lado, as roupas dos beduínos do deserto são feitas de lã para minimizar as trocas de calor do ambiente para seus corpos durante o dia e dos seus corpos para o ambiente durante a noite.

Contudo, outra situação de condução de calor está relacionada com as geladeiras. Assim, periodicamente nas geladeiras mais antigas, o gelo que se forma sobre o congelador deve ser removido, para não prejudicar as trocas de calor com o interior da geladeira.

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No entanto, vale lembrar que na natureza existem algumas situações relacionadas à condução de calor. Assim, os pássaros, no inverno, costumam eriçar suas penas para acumular ar entre elas, sendo isolante térmico, o ar diminui as perdas de calor para o ambiente.

Convecção térmica na atmosfera

Basicamente, devido à diferença de temperatura em diferentes pontos da atmosfera, estabelecem-se, correntes de convecção ascendentes de ar quente e descendentes de ar frio.

A propósito, os veículos aéreos não motorizados como asa delta, planadores movimentam-se no ar, graças a estas correntes. Neste sentido, o veículo ganha altitude quando alcança a corrente quente ascendente, pois na totalidade do voo planado, o movimento sempre é descendente.

Por outro lado, o fenômeno de convecção térmica é sentido também nas variações climáticas. Neste sentido, a água, tendo alto calor específico, sofre variações de temperaturas relativamente pequenas.

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Desse modo, numa região litorânea, a terra se aquece mais do que o mar durante o dia. Portanto, o ar aquecido, em contato com a terra, sobe e produz uma região de baixa pressão, aspirando o ar que está sobre o mar.

Assim, a resultante desse processo é a brisa marítima. Contudo, à noite, ao perder calor, a terra se resfria mais do que o mar. Nesse sentido, o processo se inverte e acontece o sopro da brisa terrestre.

Gostou da matéria? Se gostou, leia também: Sensação térmica – Quando ocorre e tipos de transferência de calor

Fontes: Brasil Escola, Toda Matéria, Mundo Educação, Todo Estudo

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Imagens: Pexels, Brainly, Todo Estudo, Brasil Escola, PrePara Enem

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