Grade 9
  1. Mecânica  1.1. Movimento  1.1.1. Tipos de movimento  1.1.2. Distância e deslocamento  1.1.3. Velocidade e Velocidade  1.1.4. Aceleração  1.1.5. Representação gráfica do movimento  1.1.6. Equações do movimento  1.1.7. Movimento uniforme e não uniforme  1.1.8. Queda livre e aceleração devido à gravidade  1.1.9. Velocidade relativa  1.1.10. Movimento circular  1.2. Leis da força e movimento  1.2.1. O conceito de força  1.2.2. A primeira lei do movimento de Newton  1.2.3. Segunda lei do movimento de Newton  1.2.4. Terceira Lei de Newton do Movimento  1.2.5. Inércia e tipos de inércia  1.2.6. Movimento  1.2.7. Conservação do momento  1.2.8. Aplicação das leis de Newton na vida cotidiana  1.2.9. Tipos de Forças (Contato e Não Contato)  1.2.10. Friction and its effects  1.3. Força Gravicional  1.3.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.3.2. Importância da Força Gravitacional  1.3.3. Aceleração devido à gravidade  1.3.4. Queda livre e ausência de peso  1.3.5. Massa e peso  1.3.6. Variação de g com altura e profundidade  1.3.7. Leis do movimento planetário de Kepler  1.3.8. Satélites e suas órbitas  1.4. Trabalho, Energia e Potência  1.4.1. Conceito de trabalho  1.4.2. Ações positivas e negativas  1.4.3. Trabalho realizado por força constante e variável  1.4.4. Energia e suas formas  1.4.5. Kinetic energy and potential energy  1.4.6. Lei da conservação de energia  1.4.8. Unidade comercial de energia  1.4.9. Teorema Trabalho-Energia  1.5. Máquinas simples  1.5.1. Tipos de máquinas simples  1.5.2. Mechanical advantage  1.5.3. Eficiência das máquinas  1.5.4. Alavancas e seus tipos  1.5.5. Polias e Planos Inclinados  1.5.6. Engrenagens e seus usos
  2. Propriedades da matéria  2.1. Estados da matéria  2.1.1. Sólidos, líquidos e gases  2.1.2. Propriedades dos diferentes estados da matéria  2.1.3. Mudança no estado da matéria  2.1.4. Plasma e Condensado de Bose-Einstein  2.2. Densidade e pressão  2.2.1. Conceito de densidade e densidade relativa  2.2.2. Pressão em sólidos, líquidos e gases  2.2.3. Lei de Pascal e suas Aplicações  2.2.4. Pressão atmosférica e suas variações  2.2.5. Tensão superficial e capilaridade  2.3. Flutuabilidade e o princípio de Arquimedes  2.3.1. Força de flutuabilidade  2.3.2. Princípio de Arquimedes  2.3.3. Aplicações do Princípio de Arquimedes  2.3.4. Objetos flutuantes e afundantes  2.3.5. Teoria da Flotação e Princípio de Arquimedes
  3. Calor e Termodinâmica  3.1. Temperatura e calor  3.1.1. Conceito de calor e temperatura  3.1.2. Medição de temperatura  3.1.3. Escalas de temperatura  3.2. Transferência de calor  3.2.1. Condução de calor  3.2.2. Convecção de calor  3.2.3. radiação de calor  3.2.4. Aplicações da transferência de calor  3.2.5. Condutividade térmica  3.3. Expansão térmica  3.3.1. Expansão de sólidos, líquidos e gases  3.3.2. Expansão anômala da água  3.3.3. Aplicações da Expansão Térmica  3.4. Capacidade calorífica específica e calor latente  3.4.1. Conceito de capacidade calorífica específica  3.4.2. Medição e aplicações do calor específico  3.4.3. Calor latente de fusão e vaporização  3.4.4. Motores Térmicos e Eficiência
  4. Ondas e som  4.1. Ondas e seus tipos  4.1.1. Ondas mecânicas e eletromagnéticas  4.1.2. Ondas Longitudinais e Transversais  4.1.3. Propriedades das Ondas  4.1.4. Comprimento de onda, frequência e velocidade da onda  4.1.5. Superposição de ondas  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Natureza e transmissão do som  4.2.2. Velocidade do som em diferentes meios  4.2.3. Reflexão do som e eco  4.2.4. Sonar e ultrassom  4.2.5. Ressonância e pulsação  4.3. Características do som  4.3.1. Intensidade, volume e qualidade do som  4.3.2. Efeito Doppler no som
  5. Iluminação e Óptica  5.1. Reflexão da luz  5.1.1. Leis da reflexão  5.1.2. Reflexão em um espelho plano  5.1.3. Reflexão em um espelho esférico  5.1.4. Formação de imagem por espelhos côncavos e convexos  5.1.5. Aplicações da Reflexão  5.2. Refração da luz  5.2.1. Leis da refração  5.2.2. Índice de refração  5.2.3. Refração através de uma placa de vidro  5.2.4. Refração na água e no ar  5.2.5. Lentes e seus tipos  5.2.6. Formação de imagens por lentes convexas e côncavas  5.2.7. Reflexão interna total e suas aplicações  5.3. Dispersão e espalhamento de luz  5.3.1. Espectro da luz branca  5.3.2. Prismas e Dispersão  5.3.3. Efeito Tyndall e céu azul
  6. Eletricidade e Magnetismo  6.1. Carga elétrica e eletricidade estática  6.1.1. O conceito de carga elétrica  6.1.2. Carregamento por fricção, contato e indução  6.1.3. Eletroscópio e seu funcionamento  6.2. Corrente Elétrica  6.2.1. O conceito de corrente elétrica  6.2.2. Lei de Ohm e Resistência  6.2.3. Fatores que afetam a resistência  6.2.4. Circuitos em Série e Paralelo  6.2.5. Efeito térmico da corrente elétrica  6.2.6. Potência e energia elétrica  6.3. Magnetismo  6.3.1. Ímãs naturais e artificiais  6.3.2. Propriedades dos ímãs  6.3.3. Magnetismo da Terra  6.3.4. Campo magnético e linhas de campo  6.3.5. Eletroímãs e suas aplicações
  7. Física Moderna  7.1. estrutura do átomo  7.1.1. Estrutura Atômica e Partículas Subatômicas  7.1.2. Elétrons, Prótons e Nêutrons  7.1.3. Modelo de Rutherford e Bohr  7.2. Radioatividade  7.2.1. Tipos de emissões radioativas  7.2.2. Meia-vida e decaimento radioativo  7.2.3. Usos e perigos da radioatividade
  8. Ciência espacial e astronomia  8.1. O universo e seus componentes  8.1.1. Estrelas e galáxias  8.1.2. Planetas e Sistema Solar  8.2. Satélites  8.2.1. Satélites naturais e artificiais  8.2.2. Uso de satélites

Grade 9 → Calor e Termodinâmica → Transferência de calor ↓


Condutividade térmica


No seu núcleo, a condutividade térmica é um conceito fundamental no estudo da transferência de calor. No sentido mais simples, é a propriedade de uma substância que reflete sua capacidade de conduzir calor. Sempre que há uma diferença de temperatura dentro de uma substância ou entre substâncias diferentes, o calor fluirá de uma área de maior temperatura para uma área de menor temperatura. A condutividade térmica é uma medida de quão facilmente essa transferência de calor ocorre.

O que é condutividade térmica?

Quando você toca uma colher de metal deixada em uma panela de água fervente, você rapidamente retira sua mão porque a colher estará quente. Isso acontece porque os metais são geralmente bons condutores de calor, o que significa que eles têm alta condutividade térmica. A condutividade térmica é representada pelo símbolo k (às vezes λ ou κ), e é medida como a quantidade de calor (Q) transferida através de um material de espessura unitária (L) em uma direção normal a uma superfície de área unitária (A) devido a uma diferença de temperatura (ΔT) em condições de estado estacionário. Matematicamente, é expressa pela lei da condução de calor de Fourier:

    q = -k * a * (dt/dx)

Aqui:

  • Q é a transferência de calor por unidade de tempo (W)
  • k é a condutividade térmica (W/m K)
  • A é a área através da qual o calor é transferido (m²)
  • dT/dx é o gradiente de temperatura (K/m), a taxa de mudança de temperatura ao longo do caminho de transferência de calor

O sinal negativo indica que o calor flui de maior temperatura para menor temperatura.

Visualização da transferência de calor

Para ver como o calor flui através das substâncias, considere uma barra com uma extremidade quente e a outra fria. O calor fluirá da extremidade quente da barra para a extremidade fria:

Extremidade quente Extremidade fria

Nesta barra, a condutividade térmica determina quão rapidamente e eficientemente o calor pode se mover da extremidade quente para a fria.

Unidades de condutividade térmica

A unidade SI de condutividade térmica é watt por metro-kelvin (W/m K). Esta unidade expressa essencialmente quantos watts de energia térmica podem passar através de um material com uma espessura de um metro e uma área de superfície de um metro quadrado para uma diferença de temperatura de um kelvin.

Fatores que afetam a condutividade térmica

Muitos fatores podem afetar a condutividade térmica de um material, incluindo:

  • Natureza do material: Materiais como metais (por exemplo, cobre, alumínio) têm alta condutividade térmica, enquanto isolantes (por exemplo, madeira, espuma) têm baixa condutividade térmica.
  • Temperatura: A condutividade térmica pode mudar com a temperatura. Geralmente, à medida que a temperatura aumenta, a condutividade térmica dos sólidos também aumenta.
  • Estrutura de rede: Em sólidos cristalinos, os átomos são organizados em um padrão repetível, e isso pode aumentar a condutividade térmica em comparação com sólidos não cristalinos (amorfo).

Exemplos de condutividade térmica na vida cotidiana

Compreender a condutividade térmica nos ajuda a entender muitos fenômenos cotidianos. Aqui estão alguns exemplos:

Utensílios culinários

Na maioria, os utensílios de cozinha são feitos de metais como alumínio ou aço inoxidável porque esses materiais conduzem calor bem. Essa transferência eficiente de calor é vital para cozinhar os alimentos de forma uniforme. Ao usar uma colher de metal em uma panela de sopa, a alça muitas vezes aquece rapidamente devido à alta condutividade térmica do metal.

Roupas isoladas

Em contraste, materiais com baixa condutividade térmica, como lã ou fibras sintéticas, são usados na confecção de roupas quentes. Esses materiais retêm o ar, que é um mau condutor, reduzindo assim a perda de calor dos nossos corpos em condições de frio.

Materiais de construção

A condutividade térmica é uma consideração importante na escolha dos materiais para construção, especialmente em áreas com temperaturas extremas. Materiais como tijolo e pedra têm condutividade térmica moderada, tornando-os eficazes na regulação das temperaturas internas.

Calculando a transferência de calor usando condutividade térmica

Vamos considerar um exemplo prático de cálculo da perda de calor através de um vidro de janela durante o inverno. Digamos que temos uma janela de vidro com uma área de 2 m² e uma espessura de 4 mm. A temperatura interna é de 25°C e a temperatura externa é de 0°C. A condutividade térmica do vidro é cerca de 0,8 W/m·K.

O taxa de transferência de calor pode ser calculada usando um fórmula derivada da lei de Fourier:

    Q = K * A * (∆T/L)

Inserindo valores conhecidos:

    Q = 0.8 W/m K * 2 m² * ((25°C - 0°C)/0.004 m)
    Q = 0.8 * 2 * 6250
    Q = 10,000 W

Isso significa que a janela perde 10.000 watts de energia térmica por segundo devido à condutividade térmica.

Comparação da condutividade térmica em diferentes materiais

Diferentes materiais têm diferentes condutividades térmicas. Aqui está uma comparação:

Material Condutividade térmica (W/m K)
Cobre 401
Alumínio 237
Vidro 0.8
Madeira 0.12
Poliestireno (isolamento) 0.03

É claro pela tabela que metais têm alta condutividade térmica, tornando-os melhores para aplicações em trocadores de calor, enquanto materiais como poliestireno são bons para fins de isolamento porque têm condutividade térmica muito baixa.

O papel da condutividade térmica em engenharia e tecnologia

Em campos como engenharia, ciência dos materiais e tecnologia, compreender a condutividade térmica é essencial para projetar sistemas e materiais que gerenciem o calor de forma eficiente. Aqui estão algumas aplicações:

  • Eletrônicos: À medida que os eletrônicos se tornam menores e mais poderosos, está se tornando cada vez mais necessário gerenciar o calor que eles geram. Materiais com alta condutividade térmica são usados em dissipadores de calor para dissipar calor de forma eficiente de componentes delicados.
  • Construção: Engenheiros usam materiais com condutividades térmicas específicas para criar edifícios energeticamente eficientes. Materiais de isolamento com baixa condutividade térmica mantêm as casas quentes no inverno e frescas no verão.
  • Exploração espacial: Materiais com condutividade térmica precisa garantem que espaçonaves possam suportar os extremos de temperatura no espaço.

Compreensão através da temperatura da superfície terrestre

A condutividade térmica também desempenha um papel nos processos naturais. Considere a crosta terrestre, que tem uma condutividade térmica de cerca de 2 - 4 W/m K que afeta o gradiente geotérmico.

Núcleo quente Superfície fria

A capacidade da crosta terrestre de conduzir calor influencia a localização de recursos de energia geotérmica e bombas de calor de fonte terrestre.

Pensamentos finais

Compreender a condutividade térmica enriquece nosso entendimento tanto do desempenho dos materiais quanto do comportamento dos fenômenos naturais. É um conceito fundamental na física que se estende a aplicações cotidianas e sistemas tecnológicos avançados.


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