(UFMA) O senhor Newton resolveu fazer uma geladeira em sua casa. Construiu duas caixas de madeira, tais que uma cabia dentro da outra e ainda sobrava um espaço entre as duas. Esse espaço foi preenchido com pó de serragem de madeira.
a) O resultado foi bom devido à baixa capacidade térmica da serragem.
b) O resultado foi bom porque o gelo, formado dentro da geladeira, tendo baixo calor específico, fará com que a serragem funcione como isolante térmico.
c) O resultado foi bom porque a serragem tem elevada capacidade térmica.
d) O resultado foi bom porque a serragem se compactou numa placa homogênea.
e) O resultado foi bom porque o ar preso na serragem funciona como um bom isolante térmico.

Passo 1

O enunciado diz que o senhor Newton construiu duas caixas de madeira, uma dentro da outra, deixando um espaço entre elas que foi preenchido com pó de serragem. Pergunta qual das alternativas explica por que o resultado (a geladeira improvisada) foi bom. As alternativas são:
a) resultado bom devido à baixa capacidade térmica da serragem;
b) resultado bom porque o gelo, formado dentro da geladeira, tendo baixo calor específico, fará com que a serragem funcione como isolante térmico;
c) resultado bom porque a serragem tem elevada capacidade térmica;
d) resultado bom porque a serragem se compactou numa placa homogênea;
e) resultado bom porque o ar preso na serragem funciona como um bom isolante térmico.
Informações relevantes dadas pelo enunciado: há um espaço preenchido por pó de serragem entre duas paredes de madeira; objetivo prático é reduzir a troca de calor entre o interior (onde tem gelo) e o exterior.

Passo 2

Vamos entender, de forma bem simples e prática, como o calor atravessa materiais — isso ajuda a decidir qual alternativa faz sentido.
Existem três modos principais de transferência de calor: condução, convecção e radiação. No caso de duas paredes com um enchimento entre elas, o modo mais importante é a condução (e, se o enchimento for fluido e houver circulação, a convecção, mas pó de serragem limita muito essa circulação).
A lei de condução de calor (Lei de Fourier) numa situação simples de uma placa homogênea estacionária é:
q = -k A \frac{dT}{dx}
onde:
  • \,q é a taxa de fluxo de calor (energia por segundo) atravessando a área A;
  • k é a condutividade térmica do material (medida de quão facilmente o calor passa pelo material);
  • \dfrac{dT}{dx} é o gradiente de temperatura (variação de temperatura por unidade de comprimento).
Num caso simplificado entre duas superfícies a temperatura fixa com espessura L, podemos escrever:
q = k A \frac{\Delta T}{L}
onde \Delta T é a diferença de temperatura entre os lados. O ponto importante: quanto menor for k, menor será o fluxo de calor para a mesma \Delta T e geometria.

Passo 3

Agora vamos distinguir dois conceitos que aparecem nas alternativas e que muita gente confunde: condutividade térmica \,k e capacidade térmica (calor específico) \,c.
  • A condutividade térmica \,k (unidade por exemplo \mathrm{W/(m\cdot K)}) mede a facilidade com que o calor passa através de um material. Materiais com pequeno k são bons isolantes (p.ex. ar, espuma, lã de vidro).
  • O calor específico \,c (unidade por exemplo \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}) mede quanto de energia é necessária para elevar a temperatura de 1 kg do material em 1 K. Isso diz quanta “inércia térmica” o material tem, ou seja, quanto calor ele absorve/guarda ao mudar de temperatura.
Importante: para impedir que calor entre numa geladeira o que mais interessa é ter um material com baixa condutividade \,k. Ter alto ou baixo calor específico \,c altera quanto calor o material armazena, mas não impede diretamente o fluxo de calor instantâneo entre interior e exterior.

Passo 4

Aplicando isso às alternativas:
  • Alternativa a) fala em “baixa capacidade térmica” (isto é, baixo calor específico). Mesmo que a serragem tivesse baixo c, isso não faz dela um bom isolante; não é o fator determinante para reduzir o fluxo de calor. Portanto essa razão não explica bem o sucesso.
  • Alternativa c) fala em “elevada capacidade térmica”. Mesmo que fosse verdade, isso só diz que a serragem armazenaria calor, o que não é diretamente o mecanismo de isolamento; além disso um material com alto c pode até ajudar temporariamente a estabilizar temperatura, mas não é a causa principal de isolamento. Então também não é a explicação correta para o efeito isolante.
  • Alternativa b) mistura coisas equivocadas: afirma que “o gelo, tendo baixo calor específico, fará com que a serragem funcione como isolante”. Primeiro, o papel do gelo é de fonte fria (e sua capacidade térmica/entalpia de fusão importa para manter frio), mas o gelo não transforma a serragem em isolante: o isolamento vem do material entre as paredes. Além disso, a frase confunde o papel do calor específico do gelo com a condutividade do enchimento. Essa alternativa está incorreta como justificação física.
  • Alternativa d) diz que a serragem se compactou numa placa homogênea. Se a serragem fosse compactada e virasse uma placa sólida, perderia muitos dos poros cheios de ar que são justamente o que conferem baixo k. Em geral, um enchimento poroso com ar preso é um bom isolante; transformar isso numa placa homogênea tenderia a aumentar a condução (dependendo do material), portanto essa alternativa não explica positivamente o sucesso — pelo contrário, a compactação forte pode reduzir a eficácia como isolante.
  • Resta a explicação que considera a presença de ar preso na serragem. O ar em si tem condutividade térmica muito baixa (ordem de grandeza muito menor que sólidos densos). Quando o pó de serragem forma uma estrutura porosa, esse ar fica preso em pequenos compartimentos, reduzindo correntes convectivas e resultando em uma resistência térmica elevada ao conjunto serragem+ar. Assim o enchimento diminui bastante o fluxo de calor entre o interior e o exterior.

Passo 5

Resumo físico didático: o que torna um enchimento um bom isolante é sua baixa condutividade térmica efetiva. Materiais fibrosos ou granulados (serradura, lã, poliestireno expandido) funcionam bem porque têm muitas cavidades cheias de ar; o ar tem baixa condutividade e, quando preso em bolsões pequenos, a convecção interna é suprimida. Logo, a explicação correta é que a serragem, por ser porosa e prender ar, reduz a condução (e a convecção) de calor entre as paredes — isto é a razão física pela qual a geladeira improvisada funciona bem.

Passo 6

Você está indo bem — perceber a diferença entre “guardar calor” (capacidade térmica) e “impedir a passagem de calor” (condutividade) é essencial para responder questões assim na prova. Lembre-se: para isolar, pense primeiro em baixa condutividade e em bolsões de ar; calor específico vem depois, quando a questão fala de inércia térmica ou armazenamento.

Resposta

e)

Exercícios relacionados