• Verificar a condução do calor através de um sólido.
• Avaliar a condução do calor através de materiais de condutividade térmica diferentes.
• Aplicar a lei de Fourier em resolução de problemas.

Calor e temperatura.

          Sugerimos inicialmente que o professor apresente para os alunos, na sala de aulas ou em sala própria de projeção, o seguinte filme que se encontra disponível sobre o título: Mago da Física - Condutividade Térmica (Qualitativo), cujo endereço eletrônico se encontra a seguir.

Mago da Física - Condutividade Térmica (Qualitativo) 

Atividade I.

         Depois de fazer alguns comentários sobre o experimento mostrado através do filme, oriente a turma para fazer a seguinte experiência, na sala de aulas ou preferencialmente no laboratório de Física, se houver em sua escola.

          Prepare o material previamente para ser distribuídos à turma, em grupos de quatro alunos.

Material necessário para cada grupo:

• Uma latinha de refrigerante vazia;
• Cerca de 30 cm de fio de cobre ou de alumínio, este deverá ser fio nu, ou seja, sem a proteção isolante e ter pelo menos 3,0 mm de diâmetro;
•  5 ou 6 pregos pequenos, tipo taxinha; uma vela e fósforos.
• Uma vela de parafina.

Procedimento:

1. Faça dois furos pequenos, diametralmente opostos, na parte superior da latinha, para atravessar a ponta do fio, conforme ilustrado no esquema da Figura 01.
2. Atravesse ao fio nos dois orifícios da latinha, conforme ilustrado na figura, se necessário coloque pedras ou outro material dentro da latinha para que ela não vire com o peso do fio.
3. Com a vela acesa, deixe pingar cerca de 3 gotas de parafina na cabeça da taxinha, parte superior esquerda na figura.
4. Com a parafina ainda quente pressione a cabeça da taxinha contra a superfície do metal para fixar a taxinha no ponto desejado, como no esquema, parte superior direita da Figura 01, de tal modo que a taxinha fique presa sob o fio.
5. Prenda cerca de 5 tachinhas igualmente separadas, cerca de 2,0 cm entre duas taxinhas adjacentes, deixando um espaço livre na extremidade, região que será aquecida diretamente pela chama da vela.
6. Coloque uma vela acesa sob a extremidade livre da vareta metálica, veja a Figura 2.

          Observe o que acontece com a parafina e a seqüência em que as taxinhas caem.

Faça o seguinte questionamento à turma:

O que acontece com a parafina grudada nas taxinhas e em que seqüência as taxinhas caem? 

Pela seqüência do derretimento da parafina, em que sentido podemos concluir que o calor flui no fio?

• Provavelmente a seqüência que as taxinhas vão cair é aquela esquematizada na Figura 02, da direita para a esquerda, isto é, a partir da taxinha mais próxima da extremidade da vela depois a segunda mais próxima e assim sucessivamente até a taxinha mais afastada da vela.
• Esta seqüência sugere que o calor flui dos pontos mais próximos à chama para pontos mais afastados, ou seja, de pontos de maior temperatura para pontos de menor temperatura.

Atividade II

          O professor também deverá preparar material para que na seqüência os alunos realizem um segundo experimento. Além do material anterior, será preciso de apenas dois pedaços de fios nu, de materiais diferentes, por exemplo, um de cobre e outro de ferro, com aproximadamente 40 cm de comprimento cada um, diâmetro de secção reta acima de 2 mm. Se for possível, varie os metais nos pares, por exemplo, cobre com ferro, cobre com alumínio, alumínio com ferro, etc. Junte duas extremidades, uma de cada fio, e com um alicate torça essas pontas até formar uma junção de aproximadamente 15 cm de comprimento, veja a Figura 03.

          Forneça um par de fios para cada grupo de alunos; se possuir em sua escola montagem própria para usar uma chama de gás, utilize esse recurso, caso não tenha, use a chama da vela. Embora demande mais tempo, os resultados obtidos usando a chama da vela também trará resultados satisfatórios.

          Qualquer que seja o material usado, deve-se precaver chamando a atenção dos alunos para que tomem os devidos cuidados a fim de evitar acidentes

          Peça aos alunos que mantendo os respectivos grupos executem os procedimentos esquematizados na Figura 04: primeiro acenda a vela e deixe cair gotas de parafina ao longo de cada parte individualizada dos fios, região não enrolada, veja a figura. De preferência a parafina depositada deverá envolver todo o fio, nesta respectiva região, para evidenciar a observação e ao mesmo tempo diminuir perdas de calor para o ambiente. Depois coloque os fios com a parte enrolada sobre um suporte, prendendo-os com um alicate como na Figura 04 ou usando um sobrepeso, Figura 05, de forma que os fios fiquem na direção horizontal, veja esquema. Acenda então a chama do gás ou de uma vela sob a parte em que os fios estão enrolados para que recebam a mesma quantidade de calor. Mantenha a chama em um ponto próximo à região em que os fios se individualizam, parte dos fios coberta com a parafina.

          Pergunte aos grupos:

Em que seqüência ocorreu o derretimento da parafina em cada fio?

Em qual material a parafina derreteu primeiro?

Entre os dois materiais qual é melhor condutor de calor?

• Como no experimento anterior, verificará que a parafina começará a derreter a partir de pontos mais próximos da chama e seguindo sucessivamente para pontos mais afastados.
• Vai depender dos materiais usados, se um grupo usou fios de cobre e de ferro, observará que no cobre a camada de parafina derreterá antes que no ferro.
• Concluirá, portanto que o cobre conduz melhor o calor comparado com o ferro.

Atividade III

          Em seguida o professor deverá explicar para os alunos que a propriedade relacionada com a rapidez que o calor se propaga em um material é denominada de condutividade térmica e é uma característica do material ou da substância, cujo valor é tabelado conforme pode ser constatado pela tabela abaixo.

http://www.protolab.com.br/Condutividade_Termica.htm

          Peça aos alunos que observe a tabela e compare os valores das condutividades dos metais com outros sólidos, tijolo, madeira, etc, e responda qual conduz melhor o calor.

          Peça também que numa folha calcule quantas vezes a condutividade do cobre é maior que a do ferro.

          A água e o ar conduzem bem o calor? Por quê?

• Verificarão que os metais possuem alto valor de condutividade o que equivale a dizer que são excelentes condutores de calor, enquanto o tijolo e a madeira possuem baixo valor de condutividade, cabendo ao professor informar que são relativamente isolantes térmicos comparados aos metais.
• Em valores aproximados 398/80,3 = 4,9564, ou seja, a condutividade do cobre é aproximadamente 5 vezes maior que a do ferro, equivale a dizer que, nas mesmas condições, o cobre conduz calor 5 vezes mais rápido que o ferro.
• Na tabela verão que a água e o ar possuem baixa condutividade térmica, deverão concluir que devido a isso são maus condutores de calor. O professor deverá então complementar dizendo que o ar e a água são considerados bons isolantes térmicos.

          Depois o professor deverá completar o assunto da aula explicando para a turma a lei de Fourier. Essa lei foi estabelecida em 1811 pelo matemático e físico francês Jean Baptiste Joseph, mais conhecido por barão de Fourier. A lei de Fourier constitui uma lei empírica, isto é, estabelecida a partir de dados experimentais. A equação que traduz a lei de Fourier é:

q* = k.A.(T₂ – T₁)/L, observe a Figura 06, abaixo.

          Em que, q* é o fluxo de calor, quantidade de calor que atravessa uma superfície num intervalo de tempo; k é a condutividade térmica do material; A é a área da superfície normal à direção do fluxo; T₂ é a temperatura mais elevada; T₁ é a temperatura mais baixa; L é a espessura ou comprimento relativo à distância de propagação do fluxo. Lembrando ao aluno que a expressão acima fornece o valor do fluxo de calor e que este flui sempre no sentido da temperatura maior para a menor.

          O professor ainda poderá elaborar um exercício de aplicação da lei de Fourier para os alunos resolver, como sugestão, apresenta o exercício a seguir:

• Em um dia muito frio num determinado local, uma sala fechada, a temperatura é mantida constante a 27^oC, enquanto que a temperatura externa é de apenas 2^oC. A sala possui uma janela de 80 cm de altura por 125 cm de comprimento. A janela é de vidro de 0,80 cm de espessura. Qual o fluxo de calor através da janela. Use a condutividade térmica do vidro igual a 0,75 W/m².^oC. Que quantidade de calor em kCal  é perdida para o ambiente durante um intervalo de 5,0 horas? 1,0 Cal = 4,186 J.

Solução:

• q* = k.A.(T₂ – T₁)/L
• A = 0,80m.1,25m = 1,00 m², T₂ – T₁ = 27 – 2 = 25^oC e L = 0,0080m.
• q* = 0,75.1,00.25/0,0080 – “Unidades do SI”
• q* = 2343,75 Watts
• Usando 1 Cal = 4,186 J, o fluxo de calor através da janela é aproximadamente 560 cal/s.

                          Em 5,0 horas:

• ·        q* = Q/(t₂ – t₁)
• ·        Q = q*.(t₂ – t₁); t₂ – t₁ = 5,0 horas.
• ·        Q = 560 (Cal/s).5,0 h
• ·        Q = 560 (cal/s)5,0.3600s
• ·        Q = 1,008.10⁴ kCal

              Acesse o seguinte endereço:

http://perguntasprovisorio.blogspot.com/

          Peça aos grupos de quatro alunos, que exemplifique pelo menos duas situações, onde se notifica a aplicação prática da condutividade térmica de algum material utilizado. Deverão explicar justificando porque a condutividade influencia onde o material está sendo aplicado.