Quando você atravessa o tapete em um dia frio de inverno, ele não sente frio nos pés. No entanto, uma vez que você pisa no piso de ladrilhos do banheiro, seus pés ficam instantaneamente frios. Os dois andares têm temperaturas de alguma forma diferentes?

Você certamente não esperaria que fossem, dado o que sabe sobre o equilíbrio térmico. Então, por que eles se sentem tão diferentes? O motivo está relacionado à condutividade térmica.
Transferência de calor

O calor é a energia que transfere entre dois materiais devido a diferenças de temperatura. O calor flui do objeto de temperatura mais alta para o objeto de temperatura mais baixa até que o equilíbrio térmico seja alcançado. Os métodos de transferência de calor incluem condução térmica, convecção e radiação.

Condução térmica
é o modo discutido em mais detalhes posteriormente neste artigo, mas brevemente é a transferência de calor por contato direto. Essencialmente, as moléculas no objeto mais quente transferem sua energia para as moléculas no objeto mais frio através de colisões até que ambos os objetos tenham a mesma temperatura.

Na convecção , o calor é transferido através do movimento. Imagine o ar da sua casa em um dia frio de inverno. Você já reparou que a maioria dos aquecedores geralmente fica perto do chão? À medida que os aquecedores aquecem o ar, esse ar se expande. Quando se expande, torna-se menos denso, elevando-se acima do ar mais frio. O ar mais frio fica próximo ao aquecedor, para que o ar possa aquecer, expandir e assim por diante. Esse ciclo cria correntes de convecção e faz com que a energia térmica se disperse pelo ar na sala, misturando o ar à medida que é aquecido.

Átomos e moléculas liberam radiação eletromagnética , que é uma forma de energia que pode viajar através do vácuo do espaço. É assim que a energia térmica de um fogo quente chega até você e como a energia térmica do sol chega à Terra.
Definição de Condutividade Térmica

Condutividade térmica é uma medida de quão facilmente a energia térmica se move através de um material ou quão bem esse material pode transferir calor. A qualidade da condução do calor depende das propriedades térmicas do material.

Considere o piso de ladrilho no exemplo no início. É um condutor melhor do que o tapete. Você pode dizer apenas pela sensação. Quando seus pés estão no chão de ladrilhos, o calor o deixa muito mais rápido do que quando você está no tapete. Isso ocorre porque o ladrilho permite que o calor dos seus pés o mova muito mais rapidamente.

Assim como a capacidade específica de calor e os aquecimentos latentes, a condutividade é uma propriedade específica do material em questão. É indicado pela letra grega κ (kappa) e geralmente é procurado em uma tabela. As unidades SI de condutividade são watts /metro × Kelvin (W /mK).

Objetos com alta condutividade térmica são bons condutores, enquanto objetos com baixa condutividade térmica são bons isolantes. Uma tabela de valores de condutividade térmica é fornecida aqui.

Como você pode ver, objetos que geralmente parecem "frios" ao toque, como metais, são bons condutores. Observe também a qualidade do ar do isolador térmico. É por isso que grandes casacos macios mantêm você aquecido no inverno: prendem uma grande camada de ar ao seu redor. O isopor também é um excelente isolante, e é por isso que é usado para manter alimentos e bebidas quentes ou frias.
Como o calor se move através de um material

À medida que o calor se difunde pelo material, existe um gradiente de temperatura no material da extremidade mais próxima da fonte de calor até a extremidade mais distante.

À medida que o calor se move pelo material e antes que o equilíbrio seja alcançado, a extremidade mais próxima da fonte de calor será a mais quente e a temperatura será mais alta. diminuir linearmente para o nível mais baixo na extremidade oposta. À medida que o material se aproxima do equilíbrio, esse gradiente se achata.
Condutância Térmica e Resistência Térmica

O quão bem o calor pode se mover através de um objeto depende não apenas da condutividade do objeto, mas também do tamanho e forma do o objeto também. Imagine uma haste comprida de metal conduzindo calor de uma extremidade à outra. A quantidade de energia térmica que pode passar por unidade de tempo dependerá do comprimento da haste e do tamanho da haste. É aqui que a noção de condutância térmica entra em jogo.

A condutância térmica de um material, como uma barra de ferro, é dada pela fórmula:
C \u003d \\ frac {\\ kappa A} { L}

onde A
é a área da seção transversal do material, L
é o comprimento e κ é a condutividade térmica. As unidades SI de condutância são W /K (watts por Kelvin). Isso permite uma interpretação de κ como a condutância térmica de uma área unitária por unidade de espessura.

Por outro lado, a resistência térmica é dada por:
R \u003d \\ frac {L} {\\ kappa A}

Isto é simplesmente o inverso da condutância. Resistência é uma medida de quanta oposição existe à energia térmica que passa. A resistividade térmica também é definida como 1 /κ.

A taxa na qual a energia térmica Q
se move através do comprimento L
do material quando a diferença de temperatura entre as extremidades é ΔT
é dado pela fórmula:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L}

Isso também pode ser escrito como:
\\ frac {Q} {t} \u003d C \\ Delta T \u003d \\ frac {\\ Delta T} {R}

Observe que isso é diretamente análogo ao que acontece com a corrente na condução elétrica. Na condução elétrica, a corrente é igual à tensão dividida pela resistência elétrica. A condutividade elétrica e a corrente elétrica são análogas à condutividade e corrente térmicas, a tensão é análoga à diferença de temperatura e a resistência elétrica é análoga à resistência térmica. A mesma matemática se aplica.
Aplicações e exemplos

Exemplo: Um iglu hemisférico feito de gelo tem um raio interno de 3 me espessura de 0,4 m. O calor escapa do iglu a uma taxa que depende da condutividade térmica do gelo, k \u003d 1,6 W /mK. A que taxa a energia térmica deve ser continuamente gerada dentro do iglu, a fim de manter uma temperatura de 5 graus Celsius dentro do iglu, quando está a -30 C fora?

Solução: A equação correta a ser usada nessa situação é a equação anterior:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L}

Você recebe κ, ΔT
é apenas a diferença de faixa de temperatura entre dentro e fora e L
é a espessura do gelo. Um site é um pouco mais complicado. Para encontrar A
, você precisa encontrar a área de superfície de um hemisfério. Isso seria metade da área da superfície de uma esfera, que é 4π_r_ ^{2. Para r
, você pode escolher o raio médio (o raio do interior do iglu + metade da espessura do gelo \u003d 3,2 m), de modo que a área seja então:
A \u003d 2 \\ pi r ^ 2 \u003d 2 \\ pi (3.2) ^ 2 \u003d 64.34 \\ text {m} ^ 2}

Ao conectar tudo na equação, obtemos:
\\ frac {Q} {t} \u003d \\ frac {\\ kappa A \\ Delta T} {L} \u003d \\ frac {1,6 \\ times 64,34 \\ times 35} {0,4} \u003d 9,000 \\ text {Watts}

Aplicação: Um dissipador de calor é um dispositivo que transfere calor de objetos a altas temperaturas para o ar ou a um líquido que leva o excesso de energia térmica. A maioria dos computadores tem um dissipador de calor conectado à CPU.

O dissipador de calor é feito de metal, que conduz o calor para longe da CPU e, em seguida, um pequeno ventilador circula o ar ao redor do dissipador, causando a energia térmica. dispersar. Se bem feito, o dissipador de calor permite que a CPU opere em estado estacionário. A eficiência do dissipador de calor depende da condutividade do metal, da área superficial, da espessura e do gradiente de temperatura que pode ser mantido.