404 (UFES) Ao colocar a mão sob um ferro elétrico quente sem tocar na sua superfície, sentimos a mão “queimar”. Isto ocorre porque a transmissão de calor entre o ferro elétrico e a mão se deu principalmente através de:
a) irradiação
b) condução
c) convecção
d) condução e convecção
a) irradiação
b) condução
c) convecção
d) condução e convecção
Passo 1
O enunciado diz: ao colocar a mão sob um ferro elétrico quente sem tocar na sua superfície, sentimos a mão “queimar”.
A pergunta é: isto ocorre porque a transmissão de calor entre o ferro elétrico e a mão se deu principalmente através de qual das opções abaixo?
a) irradiação
b) condução
c) convecção
d) condução e convecção
A pergunta é: isto ocorre porque a transmissão de calor entre o ferro elétrico e a mão se deu principalmente através de qual das opções abaixo?
a) irradiação
b) condução
c) convecção
d) condução e convecção
Informações relevantes fornecidas pelo enunciado:
- A mão NÃO toca a superfície do ferro (não há contato direto).
- O ferro está quente e a mão, colocada por baixo, sente calor suficiente para “queimar” (sensação rápida de aquecimento).
- Precisamos escolher qual modo de transferência de calor é predominante entre as alternativas dadas.
Passo 2
O que é condução (definição e formulação simples)?
Condução é a transferência de calor por contato direto entre moléculas; ocorre dentro de sólidos e entre superfícies que estão em contato. A lei que descreve o fluxo de calor por condução unidimensional é a Lei de Fourier:
Condução é a transferência de calor por contato direto entre moléculas; ocorre dentro de sólidos e entre superfícies que estão em contato. A lei que descreve o fluxo de calor por condução unidimensional é a Lei de Fourier:
onde
é a potência térmica (energia por tempo),
é a condutividade térmica do material,
é a área através da qual o calor passa, e
é o gradiente de temperatura.
Importante: a condução exige contato físico entre corpos ou a transmissão através de um meio sólido. Se não há toque, a condução direta entre a superfície do ferro e a pele não acontece.
Importante: a condução exige contato físico entre corpos ou a transmissão através de um meio sólido. Se não há toque, a condução direta entre a superfície do ferro e a pele não acontece.
Passo 3
O que é convecção (definição e formulação simples)?
Convecção é a transferência de calor entre uma superfície e um fluido (líquido ou gás) em movimento. Pode ser forçada (vento, ventilador) ou natural (movimento gerado por diferenças de densidade quando o fluido é aquecido). Uma fórmula prática é a Lei do Resfriamento de Newton:
Convecção é a transferência de calor entre uma superfície e um fluido (líquido ou gás) em movimento. Pode ser forçada (vento, ventilador) ou natural (movimento gerado por diferenças de densidade quando o fluido é aquecido). Uma fórmula prática é a Lei do Resfriamento de Newton:
onde
é a potência térmica por convecção,
é o coeficiente de transferência de calor por convecção,
a área exposta,
a temperatura da superfície e
a temperatura do fluido distante.
Observações importantes para o caso: no aquecimento natural de um corpo quente num ar estacionário, o ar aquecido tende a subir (corrente ascendente). Se o ferro está acima da mão, o ar aquecido pelo ferro tende a subir, levando calor para cima, não diretamente para baixo — isto reduz a eficiência da convecção aquecendo a mão que está por baixo. Além disso, convecção costuma ser mais lenta que irradiação quando se trata de superfícies muito quentes e de curta distância.
Observações importantes para o caso: no aquecimento natural de um corpo quente num ar estacionário, o ar aquecido tende a subir (corrente ascendente). Se o ferro está acima da mão, o ar aquecido pelo ferro tende a subir, levando calor para cima, não diretamente para baixo — isto reduz a eficiência da convecção aquecendo a mão que está por baixo. Além disso, convecção costuma ser mais lenta que irradiação quando se trata de superfícies muito quentes e de curta distância.
Passo 4
O que é irradiação (radiación) — definição e lei útil?
Irradiação é a transferência de energia por meio de ondas eletromagnéticas (radiação térmica). Não precisa de meio material, acontece no vácuo ou ar, e depende da temperatura da superfície. A lei básica que dá a potência radiada por uma superfície é a Lei de Stefan–Boltzmann (para um corpo quase negro ou com emissividade ):
Irradiação é a transferência de energia por meio de ondas eletromagnéticas (radiação térmica). Não precisa de meio material, acontece no vácuo ou ar, e depende da temperatura da superfície. A lei básica que dá a potência radiada por uma superfície é a Lei de Stefan–Boltzmann (para um corpo quase negro ou com emissividade
onde
é a constante de Stefan–Boltzmann (
),
é a temperatura da superfície em kelvin,
a temperatura ambiente em kelvin,
a área que “vê” a superfície e
a emissividade (entre 0 e 1).
Característica-chave: radiação atua por linha de visada e é eficiente para superfícies quentes; não requer contato e o efeito é rápido — por exemplo, sentimos imediatamente o calor do sol ou de um fogão aceso mesmo sem tocar.
Característica-chave: radiação atua por linha de visada e é eficiente para superfícies quentes; não requer contato e o efeito é rápido — por exemplo, sentimos imediatamente o calor do sol ou de um fogão aceso mesmo sem tocar.
Passo 5
Aplicando tudo ao cenário (comparação e conclusão lógica, sem ainda indicar a letra da alternativa):
- Condução: impossível sem contato. O enunciado diz que a mão não toca a superfície do ferro, logo a transferência por condução direta entre ferro e pele é desprezível.
- Convecção: poderia ocorrer via ar entre ferro e mão, mas o comportamento do ar aquecido por uma superfície quente é subir (convecção natural ascendente). Como a mão está por baixo do ferro, o ar aquecido tende a se afastar para cima, não a empurrar calor para baixo de forma eficaz. Convecção forçada (vento) também não foi mencionada. Portanto a convecção não é a explicação principal para a sensação imediata de “queimação” quando a mão é colocada por baixo.
- Irradiação: o ferro quente emite radiação térmica (principalmente infravermelho). A radiação viaja pelo ar independente do movimento do ar e atinge a pele, sendo absorvida e aquecendo rapidamente a superfície da mão. Para superfícies bem quentes e pequenas distâncias com linha de visada direta, a irradiação costuma ser o mecanismo dominante. Além disso, temos exemplos do dia a dia que reforçam isso: sentir o calor vindo de uma chapa quente ou do sol mesmo sem tocar ou sem ar muito quente entre você e a fonte — isso é radiativo.
Com base na análise das três formas de transferência e na geometria descrita (ferro quente acima, mão embaixo, sem contato), o mecanismo que melhor explica a sensação rápida de calor é o descrito no passo que trata da emissão de ondas eletromagnéticas. Vou indicar a letra correspondente na seção final.
Resposta
a) irradiação