6.23

Explique por que uma garrafa térmica (ou um frasco dewar) conserva por muito tempo a temperatura do líquido colocado em seu interior.

Passo 1

O enunciado pergunta por que uma garrafa térmica (frasco dewar) mantém por muito tempo a temperatura do líquido em seu interior. O conteúdo envolvido é transferência de calor por condução, convecção e radiação. Para responder, vamos analisar como cada modo de transferência é minimizado no projeto da garrafa térmica.

Passo 2

A garrafa térmica possui duas paredes separadas por um espaço evacuado (vácuo). Isso elimina praticamente toda troca de calor por condução e convecção no espaço entre as paredes.
  • Condução: em um meio sólido ou gasoso, o fluxo de calor é dado por
dot Qcond = -k A ,De<a TL,
mas no vácuo o coeficiente kapprox0, então dot Qcondapprox0.
  • Convecção: em fluidos, o fluxo convectivo é
dot Qconv = h A ,De<a T,
mas sem fluido (vácuo), happrox0 e dot Qconvapprox0.
Além disso, a tampa (stopper) é feita de material pouco condutor e vedado, reduzindo ainda mais condução e convecção na boca da garrafa.

Passo 3

A garrafa térmica também minimiza a transferência por radiação por ter superfícies internas metálicas e altamente refletoras. O fluxo radiativo entre duas superfícies é dado por
dot Qrad = epsilon,sigma,A,(Tint^4-Text^4),
onde epsilon é a emissividade. Como metais polidos têm epsilonll1, o termo dot Qrad fica muito pequeno.

Resposta

A garrafa térmica conserva a temperatura do líquido porque (i) o vácuo entre paredes elimina condução e convecção, (ii) a tampa vedada impede convecção e condução pela abertura, e (iii) as superfícies metálicas refletoras reduzem drasticamente a troca de calor por radiação.

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