(Uepa) As maiores temperaturas em nosso planeta estão no núcleo, chegando a mais de 4.000 { }^{\circ} \mathrm{C}. Acima do núcleo está o manto, a parte fluida do interior da Terra. A parte sólida que recobre a superfície do planeta é chamada de crosta. Considere os fenômenos descritos abaixo, sobre o fluxo de calor em diferentes regiões do planeta.
I. Calor é transferido do núcleo para camadas mais rasas da Terra, o que provoca movimentação da massa fluida do manto.
II. A temperatura da crosta aumenta com a profundidade. A variação da temperatura com a profundidade da crosta é chamada de gradiente geotérmico, medido em wC/km. Na crosta, o calor se propaga das camadas sólidas de rocha mais profundas para as de menor profundidade.
III. A superfície da Terra é aquecida durante o dia por uma quantidade de energia enorme que chega do Sol e se resfria à noite, liberando calor para a atmosfera.
As descrições acima enfatizam três processos de transferência de calor. Marque a alternativa com a correspondência correta entre cada fenômeno descrito e o respectivo processo de transferência de calor.
a) I - Condução; II - Convecção; III - Radiação.
b) I - Convecção; II - Radiação; III - Condução.
c) I - Radiação; II - Condução; III - Convecção.
d) I - Condução; II - Radiação; III - Convecção.
e) I - Convecção; II - Condução; III - Radiação.

Passo 1

O enunciado apresenta três descrições de fenômenos relacionados ao fluxo de calor e pede para identificar, para cada descrição I, II e III, a qual processo de transferência de calor ela corresponde. As descrições fornecidas são:
I. Calor é transferido do núcleo para camadas mais rasas da Terra, o que provoca movimentação da massa fluida do manto.
II. A temperatura da crosta aumenta com a profundidade. A variação da temperatura com a profundidade da crosta é chamada de gradiente geotérmico, medido em ^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}. Na crosta, o calor se propaga das camadas sólidas de rocha mais profundas para as de menor profundidade.
III. A superfície da Terra é aquecida durante o dia por uma quantidade de energia enorme que chega do Sol e se resfria à noite, liberando calor para a atmosfera.
O objetivo: relacionar I, II e III com os processos de transferência de calor (condução, convecção ou radiação) e escolher a alternativa correta entre as opções dadas.

Passo 2

Conceito e explicação detalhada de condução (aula rápida, passo a passo).
  • O que é: condução é o processo de transferência de calor dentro de um corpo ou entre corpos em contato direto, sem movimento macroscópico da matéria. Pense numa colher metálica aquecendo na panela: o metal transmite energia de átomo para átomo e elétron livre para elétron livre, sem que a colher “se mova”.
  • Lei que descreve na forma mais simples (1D, estado estacionário): q = -k\,\frac{dT}{dx},
onde:
  • q é o fluxo de calor por unidade de área (unidade típica: \mathrm{W/m^2}),
  • k é a condutividade térmica do material (quanto maior k, mais fácil o material conduz calor),
  • \frac{dT}{dx} é o gradiente de temperatura na direção do fluxo (variação de temperatura por comprimento).
  • Interpretação: o sinal negativo indica que o calor flui do ponto de maior temperatura para o de menor temperatura. Em meios sólidos rígidos (rochas da crosta), a condução é o mecanismo principal de transporte de calor.
  • Exemplo concreto: se a temperatura aumenta com a profundidade numa rocha, o calor “desce” do quente para o frio (ou, olhando de dentro para fora, sobe para camadas mais frias) por condução.

Passo 3

Aplicação da condução ao fenômeno II e justificativa didática.
  • O enunciado II diz que a temperatura da crosta aumenta com a profundidade e que o calor se propaga das camadas sólidas mais profundas para as de menor profundidade. Isso descreve exatamente transferência de energia através de uma substância sólida, sem movimento macroscópico do próprio sólido.
  • Pela definição e pela lei da condução, em meios sólidos (como rochas da crosta) o mecanismo dominante é a condução. Assim, a descrição II corresponde a condução.
  • Resumindo para minha memória de prova: quando o meio é sólido e não há fluxo de massa, pense em condução.

Passo 4

Conceito e explicação detalhada de convecção (aula rápida, passo a passo).
  • O que é: convecção é transferência de calor associada ao movimento de um fluido (líquido ou gás). Há duas modalidades:
    • Convecção natural (livre): causada por diferenças de densidade do fluido devido a variação de temperatura (por exemplo, ar quente sobe).
    • Convecção forçada: quando um agente externo faz o fluido se mover (um ventilador, uma bomba, vento).
  • Como se quantifica (fórmula de superfície típica): \dot Q = h\,A\,(T_s - T_\infty),
onde:
  • \dot Q é a potência térmica transferida (em \mathrm{W}),
  • h é o coeficiente de transferência convectiva (depende do fluido, geometria, regime de escoamento),
  • A é a área de troca,
  • T_s é a temperatura da superfície,
  • T_\infty é a temperatura do fluido distante.
  • Interpretação física: o calor é levado por transporte de massa do próprio fluido — por exemplo, correntes de convecção no manto significam que porções de material mais quente sobem e porções mais frias descem, transportando energia junto com o movimento.
  • Exemplo concreto: água aquecida num aquecedor doméstico forma correntes ascendentes de água quente e descendentes de água fria — isso é convecção natural.

Passo 5

Aplicação da convecção ao fenômeno I e justificativa didática.
  • O enunciado I afirma que o calor vindo do núcleo provoca movimentação da massa fluida do manto. A própria frase menciona movimentação da massa fluida, ou seja, há transporte de calor acompanhado de movimento do material.
  • Isso é a essência da convecção: transporte de calor por movimento do fluido. No manto terrestre, temperaturas elevadas geram diferenças de densidade e geram correntes convectivas que movimentam material e levam calor do interior para camadas mais rasas.
  • Resumindo para prova: sempre que o calor provoca ou é transportado por movimento do fluido, marque convecção.

Passo 6

Conceito e explicação detalhada de radiação (aula rápida, passo a passo).
  • O que é: radiação térmica é a emissão de energia eletromagnética por corpos devido à sua temperatura, sem necessidade de meio material (pode ocorrer no vácuo). A luz e o infravermelho que o Sol emite chegam até a Terra por radiação.
  • Lei mais usada (Lei de Stefan–Boltzmann para emissão de corpo negro): j^\star = \sigma T^4,
onde:
  • j^\star é a emissão por unidade de área (potência por área),
  • \sigma é a constante de Stefan–Boltzmann ( \sigma \approx 5{,}670\times10^{-8}\\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}),
  • T é a temperatura absoluta (em \mathrm{K}).
  • Para superfícies reais (com emissividade \epsilon) e diferença entre duas temperaturas, um termo usado é: \dot Q = \epsilon\,\sigma\,A\,(T_s^4 - T_\infty^4),
com variáveis já explicadas antes.
  • Interpretação: radiação não precisa de ar ou outro material para transportar energia; o Sol aquece a Terra através da radiação solar que atravessa o espaço (vácuo).

Passo 7

Aplicação da radiação ao fenômeno III e justificativa didática.
  • O enunciado III diz que a superfície da Terra é aquecida durante o dia por uma quantidade enorme de energia que chega do Sol e se resfria à noite, liberando calor para a atmosfera.
  • A parte “chega do Sol” indica claramente um transporte de energia por ondas eletromagnéticas através do espaço — isto é radiação. O aquecimento inicial da superfície terrestre pelo Sol é essencialmente por radiação solar.
  • Observação didática importante (não confundir na prova): embora a superfície depois perca calor também por convecção e condução para a atmosfera e pelo efeito infravermelho (radiação) para o espaço, a frase do enunciado enfatiza que a energia “chega do Sol” — esse verbete-chave aponta para radiação como o processo responsável pelo aquecimento diurno.
  • Então, para a correspondência direta pedida, a descrição III corresponde a radiação.

Passo 8

Relação final entre cada fenômeno e o processo de transferência de calor (resumo para a prova).
  • I corresponde a convecção (movimentação da massa fluida do manto transportando calor).
  • II corresponde a condução (propagação de calor através de rocha sólida, com gradiente geotérmico).
  • III corresponde a radiação (energia que chega do Sol por ondas eletromagnéticas).

Resposta

e)

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