Explique os mecanismos de transferência de calor: condução, radiação e convecção.
1.31. Explique os princípios de funcionamento de uma garrafa térmica.
1.32. Explique o princípio de funcionamentos dos principais tipos de termômetros: termômetros de mercúrio, termopares, termômetros de radiação, termômetros digitais. Qual o tipo de aplicação e faixa de temperatura de cada um deles?
1.31. Explique os princípios de funcionamento de uma garrafa térmica.
1.32. Explique o princípio de funcionamentos dos principais tipos de termômetros: termômetros de mercúrio, termopares, termômetros de radiação, termômetros digitais. Qual o tipo de aplicação e faixa de temperatura de cada um deles?
Passo 1
O enunciado pede que a gente explique três mecanismos de transferência de calor — condução, convecção e radiação —, depois que apresente o princípio de funcionamento de uma garrafa térmica e, por fim, descreva como funcionam os termômetros de mercúrio, termopares, de radiação e digitais, indicando pra cada um aplicações típicas e faixas de temperatura. Vamos usar as leis fundamentais de transferência de calor e os efeitos físicos que cada instrumento aproveita.
Passo 2
Condução é o transporte de energia térmica dentro de um sólido (ou entre sólidos em contato) devido ao movimento desordenado de suas partículas. A lei de Fourier diz que o fluxo de calor unidimensional é
onde
é a potência térmica (W),
é a condutividade térmica (W/
),
a área de seção (
) e
o gradiente de temperatura. Quanto maior
, mais rápido o calor se propaga.
Passo 3
Convecção envolve o transporte de calor entre uma superfície sólida e um fluido em movimento (ou em “movimento natural” por diferenças de densidade). A lei de Newton do resfriamento dá
onde
é o coeficiente de troca convectiva (W/
K),
a temperatura da superfície e
a do fluido afastado. Em convecção forçada o fluido é impulsionado (ex.: ventilador); em natural, o próprio gradiente de densidade move o fluido.
Passo 4
Radiação é a emissão de ondas eletromagnéticas por corpos devido à sua temperatura. Segundo Stefan–Boltzmann,
onde
é a emissividade (
a
),
W/
e
e
estão em kelvin. Não depende de meio material, só de superfície e temperatura.
Passo 5
A garrafa térmica minimiza os três mecanismos:
) Tem paredes duplas com vácuo entre elas para quase eliminar condução e convecção interna.
) As faces voltadas para o vácuo são revestidas por um filme refletivo (prata) para reduzir radiação.
) A tampa é de material isolante e bem vedada para impedir trocas convectivas com o exterior.
Passo 6
Termômetros:
- Mercúrio usa a expansão volumétrica do líquido em tubo capilar de vidro. A relação
dá um deslocamento facilmente calibrado. Faixa típica de a . Muito usado em laboratórios e clínicos (antes dos digitais). - Termopar explora o efeito Seebeck: junção de dois metais gera tensão
, onde é o coeficiente termoelétrico. Faixa de a dependendo do par metálico; muito usado em processos industriais. - Termômetro de radiação (pirômetro) mede intensidade de infravermelho emitido. A partir da lei de Stefan–Boltzmann e assumindo emissividade, infere
. Ideal para superfícies muito quentes ( ) e onde não se pode tocar o objeto. - Termômetro digital normalmente usa termistor (coeficiente de resistência negativo) ou RTD (resistência cresce com
) e circuito eletrônico de condicionamento. Faixa de a em aplicações domésticas e clínicas, podendo chegar a com sensores especiais.
Resposta
Condução é o fluxo direto dentro de materiais regido pela lei de Fourier. Convecção envolve fluido em movimento e se descreve por
. Radiação é emissão eletromagnética segundo
.
A garrafa térmica usa vácuo para barrar condução e convecção, e superfícies refletoras para bloquear radiação.
Termômetros de mercúrio medem expansão volumétrica ( a
), termopares convertem diferença de temperatura em tensão (
a
), pirômetros captam radiação infravermelha (
) e digitais usam variação de resistência (
a
, até
em versões industriais).
A garrafa térmica usa vácuo para barrar condução e convecção, e superfícies refletoras para bloquear radiação.
Termômetros de mercúrio medem expansão volumétrica (