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?

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
q = -,k,A,dTdx,
onde q é a potência térmica (W), k é a condutividade térmica (W/ mcdot K), A a área de seção ( m^2) e dT/dx o gradiente de temperatura. Quanto maior k, 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
q = h,A,(Ts - Tinfty),
onde h é o coeficiente de troca convectiva (W/ m^2 cdotK), Ts a temperatura da superfície e Tinfty 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,
q = epsilon,sigma,A,(T^4 - Tamb^4),
onde epsilon é a emissividade ( 0 a 1), sigmaapprox5,67times10^-8 W/ m^2 cdot K^4 e T e Tamb estão em kelvin. Não depende de meio material, só de superfície e temperatura.

Passo 5

A garrafa térmica minimiza os três mecanismos:
1) Tem paredes duplas com vácuo entre elas para quase eliminar condução e convecção interna.
2) As faces voltadas para o vácuo são revestidas por um filme refletivo (prata) para reduzir radiação.
3) 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 L=L0[1+beta(T-T0)] dá um deslocamento facilmente calibrado. Faixa típica de -38!^circC a 356!^circC. Muito usado em laboratórios e clínicos (antes dos digitais).
  • Termopar explora o efeito Seebeck: junção de dois metais gera tensão V = S,(Tjunção - Tref)çã, onde S é o coeficiente termoelétrico. Faixa de -200!^circC a +1800!^circC 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 T. Ideal para superfícies muito quentes ( >200!^circC) e onde não se pode tocar o objeto.
  • Termômetro digital normalmente usa termistor (coeficiente de resistência negativo) ou RTD (resistência cresce com T) e circuito eletrônico de condicionamento. Faixa de -50!^circC a 150!^circC em aplicações domésticas e clínicas, podendo chegar a 300!^circC 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 q=hA(Ts-Tinfty). Radiação é emissão eletromagnética segundo q=epsilonsigma A(T^4-Tamb^4).
A garrafa térmica usa vácuo para barrar condução e convecção, e superfícies refletoras para bloquear radiação.
Termômetros de mercúrio medem expansão volumétrica ( -38 a 356!^circC), termopares convertem diferença de temperatura em tensão ( -200 a 1800!^circC), pirômetros captam radiação infravermelha ( >200!^circC) e digitais usam variação de resistência ( -50 a 150!^circC, até 300!^circC em versões industriais).

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