a) Explique o que é a condução de calor.
Como ela ocorre em gases, líquidos e slidos?
Como ela ocorre em gases, líquidos e slidos?
Passo 1
O enunciado pede para explicar o que é condução de calor e como esse mecanismo se manifesta em gases, líquidos e sólidos. O conteúdo principal é a transferência de energia térmica por condução, que envolve tanto a visão macroscópica (gradiente de temperatura e Lei de Fourier) quanto a interpretação microscópica (colisões moleculares, vibrações de rede e elétrons livres).
Passo 2
Condução de calor é o processo de transferência de energia térmica dentro de um meio ou entre meios em contato, sem transporte global de matéria. Macroscopicamente, se numa direção
existe um gradiente de temperatura
, a densidade de fluxo de calor por condução satisfaz a Lei de Fourier:
onde
é a condutividade térmica do material e o sinal negativo indica que o calor flui do quente para o frio.
Passo 3
Em sólidos, há dois mecanismos principais:
- Em materiais não metálicos (isolantes), a condução ocorre por vibrações da rede cristalina (fônons). Átomos ou íons vibram em torno de pontos de equilíbrio e transferem energia para vizinhos.
- Em metais, além dos fônons, há elétrons livres que se movem quase livremente e carregam energia térmica de regiões mais quentes para regiões mais frias, aumentando muito
.
Passo 4
Em líquidos, as moléculas estão em constante movimento e em contatos frequentes, mas não há rede cristalina fixa nem elétrons livres livres para transporte. A condução se dá sobretudo por colisões e difusão molecular: moléculas quentes colidem com moléculas vizinhas, transferindo parte de sua energia cinética.
Passo 5
Em gases, as moléculas estão mais espaçadas, logo as colisões moleculares ocorrem com menor frequência. A condução térmica acontece pelo mesmo princípio de difusão molecular dos líquidos, mas como a densidade é menor, a condutividade térmica
é tipicamente bem menor. Em gases raros, pode-se até usar a teoria cinética para mostrar que
onde
é o calor específico,
o caminho livre médio e
a velocidade média das moléculas.
Resposta
Condução de calor é a transferência de energia térmica devido a um gradiente de temperatura, sem transporte de massa. Em sólidos, ocorre por vibrações da rede cristalina (fônons) e, nos metais, também por elétrons livres; em líquidos, por colisões e difusão molecular; e em gases, por difusão molecular em razão do movimento e colisões mais espaçados entre moléculas.