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
qcond = -k,A,dTdx
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).
  • 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
qconv = h,A,(Tsuperfície - Tinfty) í
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):
qrad = varepsilon,sigma,A,(T^4superfície - T^4ambiente) í
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:
  1. Condução através da parede da garrafa (embora limitada pelo isolamento)
  2. Convecção (interna no café e externa entre a garrafa e o ar da sala)
  3. Radiação térmica entre a garrafa e o ambiente.

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