(Prefeitura Municipal de Santana do Livramento - 2021) Neste processo o calor é transferido pelo movimento do médio (líquido ou ar). A taxa de transmissão de calor (
) do objeto quente para o meioque o rodeia é proporcional a área A do objeto e a diferença de temperatura
informação acima refere-se: (
pontos)
a) Transferência de calor por convecção.
b) Transferência de calor por condução.
c) Transferência de calor por radiação térmica.
d) Transferência de calor por radiação térmica.
e) Nenhuma das alternativas.
a) Transferência de calor por convecção.
b) Transferência de calor por condução.
c) Transferência de calor por radiação térmica.
d) Transferência de calor por radiação térmica.
e) Nenhuma das alternativas.
Passo 1
O enunciado dá as seguintes informações e faz esta pergunta:
- Informação: “Neste processo o calor é transferido pelo movimento do médio (líquido ou ar).”
- Informação: “A taxa de transmissão de calor
do objeto quente para o meio que o rodeia é proporcional à área do objeto e à diferença de temperatura .” Em símbolos: sabe-se que e . - Pergunta: qual alternativa (a), (b), (c), (d) ou (e) corresponde corretamente à descrição acima?
Passo 2
Entender a lei que descreve a situação: a equação que normalmente aparece quando o calor é transferido entre um objeto e um fluido em movimento (ar, água, etc.) é a chamada Lei de resfriamento de Newton, escrita como
Explicando cada termo:
-
é a taxa de transferência de calor (energia por unidade de tempo). -
é o coeficiente de transferência convectiva de calor (depende do fluido, da velocidade do fluido, da geometria e das condições de escoamento). -
é a área de troca térmica do objeto. -
é a diferença de temperatura entre a superfície do objeto e o meio.
Note que nessa fórmula a taxa de calor é diretamente proporcional ae a , exatamente como o enunciado afirma.
Passo 3
Comparar com condução (para ver por que não é condução): a condução dentro de um sólido é descrita pela Lei de Fourier, numa forma simplificada para um corpo homogêneo unidimensional:
onde
-
é a condutividade térmica do material, -
é a espessura (distância sobre a qual ocorre o gradiente de temperatura).
Aqui a taxa depende do gradiente de temperatura(isto é, da diferença dividida por uma distância), e não apenas da diferença de temperatura imediatamente entre superfície e meio. Além disso, a condução ocorre no interior de materiais sólidos, sem exigir movimento do meio.
Passo 4
Comparar com radiação térmica (para ver por que não é radiação): a radiação segue a Lei de Stefan–Boltzmann para trocas de calor por radiação entre superfícies (em forma simplificada):
onde
-
é a emissividade da superfície, -
é a constante de Stefan–Boltzmann, -
e são temperaturas absolutas (em kelvin).
A dependência principal é com a diferença entre potências de temperatura quarta potencia, ou seja, proporcional a, não simplesmente a linear.
Passo 5
Relacionar as informações do enunciado com as leis físicas:
- O enunciado menciona explicitamente “movimento do meio (líquido ou ar)” — isso já sugere que o fluido em movimento participa do transporte de calor.
- A proporcionalidade dada (
e ) coincide com a forma linear da Lei de Newton da convecção, . - Condução exige considerar um gradiente
e não depende do movimento do meio; radiação tem dependência em . Portanto as características do enunciado não batem com condução nem com radiação.
Passo 6
Conclusão lógica do raciocínio: a descrição dada (movimento do meio presente e proporcionalidade linear com
e
) corresponde exatamente ao processo de transferência de calor por convecção, conforme a Lei de Newton do resfriamento.
Resposta
(a) Transferência de calor por convecção.