Uma garrafa térmica preenchida com café quente encontra-se em uma sala cujo ar e paredes estão a uma temperatura fixa. Identifique os mecanismos de transferência de calor que contribuem com o processo de resfriamento do café.
Passo 1
Beleza, então o enunciado diz que temos uma garrafa térmica com café quente dentro e ela está numa sala com ar e paredes a uma temperatura fixa. A matéria aqui é “Transferência de Calor” e a gente vai precisar identificar quais mecanismos (condução, convecção, radiação) estão agindo pra esfriar o café.
Passo 2
Primeiro: condução.
Condução é quando o calor flui direto de uma região mais quente para uma mais fria por contato molecular. No nosso caso, o café quente encosta na parede interna da garrafa e “passa” calor pra ela. Mesmo sendo isolante, ainda rola alguma condução pela parede do vidro ou metal até a camada externa. A fórmula geral é
Condução é quando o calor flui direto de uma região mais quente para uma mais fria por contato molecular. No nosso caso, o café quente encosta na parede interna da garrafa e “passa” calor pra ela. Mesmo sendo isolante, ainda rola alguma condução pela parede do vidro ou metal até a camada externa. A fórmula geral é
mas o importante é saber que, se o material é ruim condutor (isolante), esse mecanismo é lento.
Passo 3
Depois vem a convecção.
Convecção é a troca de calor por movimento de fluido (neste caso, o ar ou até o próprio café em circulação interna).
Convecção é a troca de calor por movimento de fluido (neste caso, o ar ou até o próprio café em circulação interna).
- Dentro da garrafa: o café esquenta uma parte do líquido, ele sobe, o líquido mais frio desce, e isso ajuda a transportar calor internamente.
- Fora da garrafa: o ar em volta (mais frio) retira calor da superfície externa, gera correntes de ar naturais.
A taxa de convecção costuma usar
onde
é o coeficiente de convecção e
a temperatura do ar da sala.
Passo 4
Por fim, radiação.
Toda superfície emite radiação térmica proporcional à quarta potência da temperatura (Lei de Stefan–Boltzmann):
Toda superfície emite radiação térmica proporcional à quarta potência da temperatura (Lei de Stefan–Boltzmann):
Mesmo que as temperaturas sejam moderadas, a garrafa emite e absorve radiação infravermelha para o ambiente.
Resposta
Os mecanismos de transferência de calor no resfriamento do café são:
- Condução através da parede da garrafa (embora limitada pelo isolamento)
- Convecção (interna no café e externa entre a garrafa e o ar da sala)
- Radiação térmica entre a garrafa e o ambiente.