As forças por detrás da condutividade térmica e como é aplicada
Transferência de calor é uma das principais forças físicas que impulsionam todas as reacções neste planeta. Governada pelas leis da termodinâmica, a transferência de calor permite que a energia seja utilizada e aplicada a inúmeros sistemas quotidianos de energia. O mecanismo da transferência de calor é explicado pela primeira lei da termodinâmica. Esta lei afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transferida entre sistemas. Inevitavelmente, quando a energia é transferida entre dois sistemas, alguma é perdida para o ambiente circundante. Esta energia perdida ocorre sob a forma de calor e também pode ser referida como energia térmica. A energia térmica que está contida num sistema é responsável pela temperatura do ambiente.
Métodos de Transferência de Calor
Existem três métodos que facilitam a transferência de calor. Estes métodos são conhecidos como condução, convecção e radiação.
Radiação transfere calor usando ondas electromagnéticas e não envolve qualquer interacção entre matéria. O calor que vem do sol é um exemplo de radiação.
Convecção ocorre em líquidos e gases e descreve o movimento de calor de um local para outro facilitado pelo movimento de fluidos. Quando aquecidos, os fluidos expandem-se e tornam-se menos densos. O fluido quente sobe e desloca o fluido frio situado acima dele empurrando-o para baixo em direcção à fonte de calor. Este fluido frio torna-se aquecido e sobe, criando um fluxo constante de fluido de uma zona de calor elevado para uma zona de baixo calor. A convecção explica como radiadores de rodapé podem aquecer uma sala inteira. O ar quente gerado pelos radiadores flui rapidamente para cima empurrando o ar frio para baixo em direcção ao aquecedor no chão, criando um fluxo de ar constante.
A transferência de calor através da condução envolve a transferência de calor entre dois materiais a partir do contacto de superfície. Não há troca de matéria entre os materiais, apenas energia. Este tipo de transferência de calor ocorre em materiais sólidos e é causado pelas vibrações das partículas. Quando expostas a um fluxo de energia, as partículas num sólido começam a agitar, rodar e vibrar, criando energia cinética. Um exemplo comum de condução é o processo de aquecimento de uma frigideira num fogão. O calor do queimador transfere-se directamente para a superfície do fogão. A temperatura é uma medida da quantidade de energia cinética processada pelas partículas numa amostra de matéria. Quanto mais energia cinética um material tiver, maior será a sua temperatura interna.
Figure 1: Mecanismos do diagrama de transferência de calor
Transferência de calor em metais
Matéria com elevada energia cinética terá também uma elevada condutividade térmica. A condutividade térmica descreve a eficiência com que um material pode passar calor através dele. É definida pela taxa de fluxo de energia por unidade de área, quando comparada com um gradiente de temperatura. A maioria dos valores de condutividade são expressos em Watts por metro por grau Kelvin W/m-K.
Condutividade térmica explica porque é que andar com o pé nu num chão de azulejo frio se sente muito mais fresco do que andar em tapete, apesar de ambos estarem à temperatura ambiente. O azulejo e as rochas têm uma condutividade térmica mais elevada do que o tapete e os tecidos, pelo que podem transferir calor de um pé a um ritmo muito mais rápido fazendo com que o azulejo pareça frio ao toque.
Os metais são um exemplo de um material com uma condutividade térmica elevada que pode transferir calor rapidamente. A estrutura interna de uma molécula metálica contém electrões livres que se podem mover livremente através da maior parte do material. Estes electrões livres colidem rapidamente com outras partículas, fazendo com que a estrutura interna de um metal vibre mais rapidamente e aqueça mais rapidamente. Estas vibrações rápidas promovem o fluxo de energia e calor através do metal.
Metais como o cobre, alumínio e prata são frequentemente utilizados para fazer aparelhos e ferramentas térmicas. Os tubos de cobre são fios extremamente populares de utilizar dentro de uma casa para transferir energia e calor rapidamente de uma área para outra. O alumínio tem propriedades térmicas extremamente semelhantes ao cobre e é frequentemente utilizado como um substituto rentável para desempenhar as mesmas funções. A prata é um dos metais mais amplamente utilizados para aplicações térmicas. Mais de 35% de toda a prata produzida nos EUA é fabricada para usos electrónicos ou eléctricos. A procura de prata continua a crescer, uma vez que se está a tornar um componente crucial na produção de painéis solares. Outros materiais altamente condutores de calor, tais como diamantes, têm também muitas aplicações práticas. O pó de diamante é frequentemente utilizado em electrónica para transferir calor de áreas sensíveis para as proteger do sobreaquecimento.
Figura 2: Painéis solares padrão que são frequentemente fabricados com prata
Transferência de calor em materiais não metálicos
Materiais não metálicos dependem de fonões para transferir calor ao longo de um gradiente de uma área fria para uma área quente. Plásticos, espumas e madeira são todos exemplos de materiais com baixos valores de condutividade térmica. Estes materiais são conhecidos como isolantes e podem restringir o fluxo de calor. Os isolantes têm numerosas aplicações extremamente úteis que podem proteger a energia de ser perdida para o ambiente. A espuma é um material extremamente útil de isolamento de casas e edifícios. Mais de 50% de toda a energia doméstica é utilizada para aquecer ou arrefecer uma casa. A utilização de um material com um alto condutor térmico para isolar uma casa pode reduzir substancialmente a quantidade de energia necessária para aquecer ou arrefecer um edifício. Os preços da energia estão continuamente a aumentar globalmente, tornando-a ideal para conservar tanta energia e calor quanto possível a fim de baixar as facturas de electricidade.
Conclusão
Condutividade térmica é uma propriedade material extremamente importante que permite que milhares de sistemas de produção funcionem correcta e eficientemente. O calor está constantemente a ser trocado dentro de cada ecossistema sob a forma de energia perdida. O aproveitamento da energia térmica para utilização em processos industriais e práticos criou excelentes tecnologias de poupança de energia que são utilizadas diariamente. Condução, radiação e convecção são as diferentes formas como o calor pode mover-se através de um sistema. Estrutura, densidade e composição do material são factores que podem ter impacto na condutividade térmica de uma amostra. Os materiais com altos ou baixos valores de condutividade térmica são utilizados para uma variedade de aplicações diárias. Embora altamente subestimada, a vida não seria a mesma sem transferência de calor e troca térmica.
Autor: Kallista Wilson | Escritor Técnico Júnior | Thermtest