Grade 11
  1. Mecânica  1.1. dinâmicas  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas e três dimensões  1.1.3. Deslocamento e Distância  1.1.4. Velocidade e Rapidez  1.1.5. Aceleração e desaceleração  1.1.6. Análise gráfica do movimento  1.1.7. Equações do movimento (derivações avançadas)  1.1.8. Queda livre e velocidade terminal  1.1.9. Movimento de projéteis  1.1.10. Velocidade relativa em uma e duas dimensões  1.1.11. Movimento de um carro em um plano inclinado  1.2. Dinâmica  1.2.1. As leis do movimento de Newton e suas aplicações  1.2.2. Inércia e a primeira lei de Newton  1.2.3. Força e tipos de força  1.2.4. Atrito estático e cinético  1.2.5. Movimento circular e aceleração centrípeta  1.2.6. Movimento circular não uniforme  1.2.7. Bancagem de estradas e curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservação do momento em uma e duas dimensões  1.2.10. Aplicações da Terceira Lei de Newton  1.3. Work, Energy and Power  1.3.1. Trabalho realizado por uma força constante e variável  1.3.2. Teorema trabalho-energia  1.3.3. Energia cinética e potencial  1.3.4. Energia potencial gravitacional e elástica  1.3.5. Conservação da energia mecânica  1.3.6. Poder e potência instantânea  1.3.7. Eficiência das máquinas  1.3.8. Trabalho realizado por forças conservativas e não conservativas  1.4. Movimento rotacional  1.4.1. Torque e aceleração angular  1.4.2. Equilíbrio rotacional  1.4.3. Momento de inércia e suas aplicações  1.4.4. Momento angular e sua conservação  1.4.5. Energia cinética de movimento de rotação e rotação  1.4.6. Teorema dos Eixos Paralelos e Perpendiculares  1.4.7. Dinâmica do movimento rotacional
  2. Gravitational force  2.1. Gravitação universal  2.1.1. Lei da gravitação universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional e potencial  2.1.3. Mudança na aceleração devido à gravidade  2.1.4. Leis do movimento planetário de Kepler  2.1.5. Mecânica orbital e satélites  2.1.6. Velocidade de escape e velocidade orbital  2.1.7. Ausência de peso e queda livre  2.1.8. Energia potencial gravitacional e energia em órbitas  2.1.9. Buracos negros e lente gravitacional
  3. Propriedades da matéria  3.1. Mecânica dos fluidos  3.1.1. Densidade e pressão em líquidos  3.1.2. A teoria de Pascal e aplicações  3.1.3. O Princípio de Arquimedes e a flutuação  3.1.4. A equação de Bernoulli e aplicações  3.1.5. Equação de continuidade e o efeito Venturi  3.1.6. Tensão superficial e capilaridade  3.1.7. Viscosidade e Lei de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds e turbulência  3.2. Elasticidade e deformação  3.2.1. Lei de Hooke e a relação tensão-deformação  3.2.2. Módulo de elasticidade e aplicações  3.2.3. Deformação e limite de escoamento de sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor e temperatura  4.1.1. Propriedades termométricas e escala de temperatura  4.1.2. Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases  4.1.3. Sistema de transferência de calor  4.1.4. Capacidade calorífica específica e calorimetria  4.1.5. Calor latente e mudança de fase  4.2. Kinetic theory of gases  4.2.1. Modelo molecular dos gases  4.2.2. Explicação cinética da temperatura  4.2.3. Equação do Gás Ideal e Desvios  4.2.4. Caminho livre médio e distribuição de Maxwell-Boltzmann  4.3. Leis da Termodinâmica  4.3.1. Lei Zero e Equilíbrio Térmico  4.3.2. Primeira Lei e Energia Interna  4.3.3. A Segunda Lei e Entropia  4.3.4. Ciclo de Carnot e motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores e Bombas de Calor
  5. Ondas e oscilações  5.1. Movimento Harmônico Simples  5.1.1. Equações do MHS  5.1.2. Energia no MHS  5.1.3. Oscilações amortecidas e forçadas  5.1.4. Ressonância e aplicações  5.1.5. Pêndulo e sistema massa-mola  5.2. Movimento ondulatório  5.2.1. Tipos de ondas mecânicas  5.2.2. Movimento das ondas e transporte de energia  5.2.3. Princípio da Superposição e Ondas Estacionárias  5.2.4. Reflexão, Refração e Difração  5.2.5. Efeito Doppler em som e luz  5.2.6. Pulsos e interferência
  6. Eletricidade e Magnetismo  6.1. Eletrostática  6.1.1. Carga elétrica e conservação  6.1.2. A lei de Coulomb e suas aplicações  6.1.3. Campo elétrico e fluxo elétrico  6.1.4. Potencial elétrico e energia potencial  6.1.5. Capacitance and Energy Stored in a Capacitor  6.2. Eletricidade Atual  6.2.1. Lei de Ohm e resistência elétrica  6.2.2. Resistência e dependência de temperatura  6.2.3. Leis de Kirchhoff e Análise de Circuitos  6.2.4. Potência elétrica e eficiência  6.2.5. Combinação de resistores  6.3. Magnetismo e Eletromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos e suas fontes  6.3.2. Força magnética em cargas em movimento  6.3.3. Indução eletromagnética  6.3.4. Leis de Faraday e Lenz  6.3.5. Indutância e Transformador  6.3.6. Corrente alternada e suas aplicações
  7. Óptica  7.1. Reflexão e Refração  7.1.1. leis da reflexão e refração  7.1.2. Espelhos e lentes  7.1.3. Reflexão interna total e fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferência e Difração  7.2.2. Experimento da dupla fenda de Young  7.2.3. Polarização da luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efeito fotoelétrico e a teoria de Einstein  8.1.2. Dualidade onda-partícula  8.1.3. Princípio da Incerteza de Heisenberg  8.1.4. Compton Effect  8.2. Física Atômica e Nuclear  8.2.1. Modelo atômico e níveis de energia  8.2.2. Decaimento radioativo e meia-vida  8.2.3. Fissão Nuclear e Fusão
  9. Eletrônica e Comunicação  9.1. Semicondutores  9.1.1. junção pn e diodo  9.1.2. Transistores e Portas Lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados e Aplicações  9.2. Sistemas de Comunicação  9.2.1. Noções básicas de Comunicação Analógica e Digital  9.2.2. Comunicação Sem Fio e Óptica  9.2.3. Modulação e Demodulação

Grade 11 → Física térmica → Calor e temperatura ↓


Sistema de transferência de calor


A transferência de calor é um conceito fundamental na física térmica. Refere-se ao movimento da energia térmica de um lugar para outro. O calor sempre se move de um lugar mais quente para um lugar mais frio. Existem três principais formas de transferir calor: condução, convecção e radiação. Cada mecanismo tem suas próprias características únicas e cenários onde é mais eficaz. Compreender esses mecanismos nos ajuda a explicar uma ampla gama de fenômenos do dia a dia e a projetar sistemas para o uso eficiente de energia.

Condutividade

Condução é a transferência de calor através de uma substância em que as partículas da substância se movem através dela sem mudar de posição. Em vez disso, a energia é transferida pela interação das partículas dentro da substância. Esse processo ocorre principalmente em sólidos porque as partículas nos sólidos estão compactadas. Os metais são excelentes condutores de calor devido ao movimento livre dos elétrons que ajuda a transferir rapidamente a energia no metal.

Exemplo de condução:

Considere uma colher colocada em uma xícara de café quente. A parte da colher dentro do café aquece primeiro. Em seguida, o calor viaja através da colher até a outra extremidade que você está segurando, embora a colher em si não se mova.

Representação visual:

fonte de calor Colher de Metal

O calor é transmitido por condução da extremidade quente, onde a colher é mergulhada no café, para o cabo.

Convecção

Convecção é a transferência de calor de um lugar para outro pelo movimento das partículas de um fluido (líquido ou gás). As partículas do fluido se movem, carregando energia térmica com elas. A convecção é causada por diferenças de densidade e temperatura. Quando uma parte de um fluido é aquecida, ela se torna menos densa e sobe. O fluido mais frio e denso desce e toma seu lugar, criando uma corrente de convecção.

Exemplo de Convecção:

Imagine água fervendo em uma panela. À medida que a água no fundo da panela aquece, ela sobe para o topo, e a água mais fria desce para tomar seu lugar. Esse movimento continua em um ciclo.

Representação visual:

panela de água fonte de calor

Neste cenário, o movimento da água representa correntes de convecção que ajudam a distribuir o calor por toda a panela.

Radiação

Radiação é a transferência de energia térmica através de ondas eletromagnéticas. Pode ocorrer mesmo no vácuo, pois não requer um meio para se propagar. Todos os objetos emitem radiação térmica e a taxa de transferência de calor depende da temperatura do objeto e das suas características de superfície.

Exemplo de Radiação:

Um exemplo de radiação é o calor vindo do sol. O calor do sol viaja através do vácuo do espaço para alcançar a Terra.

Representação visual:

Sol Terra

Este exemplo mostra como a energia do Sol nos atinge através da radiação.

Fatores que afetam a transferência de calor

Vários fatores afetam a taxa em que a transferência de calor ocorre entre sistemas ou dentro de um sistema:

  • Diferença de temperatura: Quanto maior a diferença de temperatura entre dois objetos, mais rápida será a transferência de calor.
  • Materiais: Diferentes materiais conduzem calor melhor que outros. Condutores, como os metais, transferem calor rapidamente, enquanto isolantes, como madeira, o fazem lentamente.
  • Área de superfície: Quanto maior a área de superfície em contato, mais calor pode ser transferido.
  • Distância/Espessura: A taxa de transferência de calor geralmente diminui à medida que a distância ou a espessura do material aumenta.

Representação matemática da transferência de calor

A transferência de calor pode ser descrita usando equações matemáticas. Vamos observar uma fórmula básica para calcular a taxa de transferência de calor.

Fórmula de condução:

Q = k * A * (T1 - T2) / d

Onde:

  • Q é a transferência de calor (em watts, W) por unidade de tempo.
  • k é a condutividade térmica do material (em watts por metro Kelvin, W/mK).
  • A é a área através da qual o calor é transferido (em metros quadrados, m²).
  • T1 e T2 são as temperaturas das duas superfícies (em Kelvin, K).
  • d é a espessura do material (em metros).

Fórmula de convecção:

Q = h * A * (T_superfície - T_fluido)

Onde:

  • Q é a transferência de calor (em watts, W) por unidade de tempo.
  • h é o coeficiente de transferência de calor por convecção (em watts por metro quadrado Kelvin, W/m²K).
  • A é a área de superfície através da qual o calor é transferido (em metros quadrados, m²).
  • T_superfície é a temperatura da superfície (em Kelvin, K).
  • T_fluido é a temperatura do fluido (em Kelvin, K).

Fórmula de radiação:

Q = ε * σ * A * (T^4)

Onde:

  • Q é a transferência de calor (em watts, W) por unidade de tempo.
  • ε é a emissividade do material (um valor entre 0 e 1).
  • σ é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10^-8 W/m²K⁴).
  • A é a área da superfície emissora (em metros quadrados, m²).
  • T é a temperatura absoluta da superfície (em Kelvin, K).

Aplicações de sistemas de transferência de calor

Compreender os mecanismos de transferência de calor nos permite projetar sistemas eficientes, como trocadores de calor, sistemas de refrigeração, recipientes isolados, etc.

Exemplo prático:

  • Cozinhar: Ao usar um fogão, o calor é transferido da chama ou elemento elétrico para a panela ou frigideira via condução.
  • Refrigeradores: Usam convecção para distribuir ar frio por todo o compartimento, mantendo os alimentos frescos por mais tempo.
  • Radiadores: Dependem da convecção para circular o ar quente por todo o ambiente e manter um ambiente confortável.
  • Painéis solares: capturam energia do sol através da radiação e a convertem em eletricidade ou para aquecer água.

Conclusão

A transferência de calor é uma parte essencial da compreensão de como a energia se move em nosso mundo. Ao estudar condução, convecção e radiação, aprendemos como o calor é transferido em diferentes situações. Esse conhecimento nos ajuda em aplicações que vão desde a concepção de melhores materiais isolantes até a criação de tecnologias mais eficientes em termos de energia. Vemos os princípios da transferência de calor em ação ao nosso redor, desde métodos de cozimento até sistemas climáticos, demonstrando o papel difundido e indispensável da física térmica na vida cotidiana.


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