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Por que superfícies espelhadas como o papel alumínio impedem a troca de calor?

 

26/07/2012

Autor y Coautor(es)
DANIEL RODRIGUES VENTURA
imagem do usuário

VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Edson Luís Nunes; José Higino Dias Filho; Emerich Michel de Sousa; José Ângelo de Faria

Estructura Curricular
Modalidad / Nivel de Enseñanza Disciplina Tema
Ensino Médio Física Oscilações, ondas, óptica e radiação
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Datos de la Clase
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  • Como ocorre a troca de calor entre os corpos de diferentes temperaturas, separados por espaço vazio.
  • Que na troca de calor por radiação, o melhor absorvedor de calor é também o melhor emissor.
  • Como as diferentes radiações emitidas por corpos aquecidos dependem da temperatura deste.
  • Por que as ampolas de garrafa térmica são espelhadas.
  • Por que  o assado envolvido em papel alumínio se assa melhor por dentro, sem ficar tostado por fora. 
Duração das atividades
2 aulas (100 min)
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

Temperatura e calor. 

Estratégias e recursos da aula

Propagação de Calor por radiação 

Desenvolvimento.

A.   Importância de entender como ocorre o transporte da energia do Sol até nosso planeta.

Ao iniciar esta aula, ressalte a importância de se entender como ocorre a troca de calor entre corpos aquecidos, sem o contato entre eles e sem a necessidade de um meio material. Por exemplo, entre os planetas e o Sol ou entre as estrelas e o restante do universo.

“Nossa maior fonte de irradiação térmica é o Sol, a maior fonte de energia. Por isso, a radiação é considerada o principal processo de transmissão do calor, pois sem ela o calor do Sol não chegaria até nós.”

http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/cor.htm

A figura 1 ilustra o Sol e a Terra num espetáculo de luz e cor num lugar paradisíaco do nosso Brasil, Lençóis Maranhenses.

Barrerinhas 733

Figura 1. Luz do Sol que viaja durante 8 minutos antes de atingir a superfície da Terra e passa por radiação no vácuo do espaço. Na fotografia, o Sol brilha, ao final do dia, sobre as areias das dunas em Barreirinhas, Lençóis Maranhenses. Imagem do próprio autor.

 

manta térmica 2

 

Figura 2. Mantas térmicas com paredes reflexivas a radiação, usadas para impedir que grande parte do calor chegue, por radiação, do telhado até o interior da casa. Imagem obtida do endereço: http://madepel.com.br/files/2011/08/manta-termica1.png .

B.    Hipóteses

Separe a turma em grupos de no máximo 5 alunos. Cada grupo deve anotar hipóteses para as perguntas apresentadas, antes de realizar as tarefas.

1.    O calor sempre necessita de um meio material para se propagar?

2.    Como o calor pode passar pelo espaço vazio entre o Sol e a Terra?

3.    Envolvendo a carne no papel alumínio e colocando-a num forno quente, o papel impede que a carne fique tostada por fora sem assar por dentro?

4.    Como o papel alumínio impede que isto ocorra?

5.    Uma manta térmica com paredes espelhadas ou de alumínio, colocada debaixo das telhas, impede que o calor do Sol chegue ao interior da casa por radiação?

6.    Roupas pretas absorvem mais calor que roupas brancas?

7.    Porque o radiador da geladeira é pintado de preto, se a sua função é emitir o calor para o meio?

 

C.   Roupas pretas absorvem mais calor que roupas brancas?

Prepare a turma para a exibição de um vídeo. Nele será abordado, de forma criativa e simples, como é a absorção de calor por superfícies branca e preta. 
Para apresentar o filme "Física - Propagação de calor", baixe do site a seguir:

http://www.youtube.com/watch?v=cqByAtr3HMk&feature=related

Neste vídeo, a diferença de temperatura é registrada por dois termômetros colocados dentro de duas latas, uma lata pintada de preto e outra pintada de branco.

Apresente o vídeo "Física - Propagação de calor" , aos alunos.
Após a exibição desta experiência, proponha a discussão sobre a diferença de absorção de calor entre as latas, baseada nas 3 questões a seguir. 

Peça aos grupos de alunos para responderem as seguintes questões:

1.       Qual das latas se aquece mais rapidamente?

2.       Qual lata absorve mais calor?

3.       Qual cor é melhor absorvedor de calor?

Após a discussão em grupo das questões anteriores, peça aos grupos que nomeiem um dos componentes para apresentar as respostas aos demais colegas da sala, justificando-as.

 

D.   Qual superfície emite mais calor: a branca ou a preta? Experimento prático, “Corpo negro”. 

Nesta etapa, o professor deve exibir o experimento prático, "Corpo Negro",  de acordo com os passos dados pelo banco de objetos educacionais do portal do professor que pode ser no link a seguir:

 

 

 

No item C, ficou evidente que o corpo negro absorve mais rapidamente o calor que o branco, agora com os resultados das tabelas 1 e 2 do experimento “corpo negro”, iremos completar o raciocínio sobre quem é o melhor emissor de calor.

 

D 1. As tabelas a seguir, representam o resultado da temperatura dos termômetros em duas situações. Na tabela 1, quando se liga o termômetro e observa o aquecimento das duas latas, a branca e a preta. Na tabela 2, após o aquecimento a lâmpada é desligada e observa-se como se dá a queda na temperatura de ambas.

 

Tabela 1

 Lâmpada Ligada

Temperatura

T0 

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

 Lata Branca

19° 

21°

21°

21°

21°

21°

21°

-

-

 Lata Preta

19°

22°

24°

25°

25°

26°

26°

-

-

Tabela 2

Lâmpada Desligada

Temperatura

T0 

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

 Lata Branca

21°

21°

20°

19°

19°

19°

19°

-

-

 Lata Preta

26°

25°

24°

23°

22

21

20.5

20

19.5

 

D 2. Peça aos alunos, para observarem os resultados apresentados nas tabelas 1 e 2 acima e responderem, em grupo, as questões a seguir:

Questões relacionadas ao resultado observado nas tabelas 1 e 2, deste experimento:

  1. Qual delas se aquece mais rapidamente?
  2. A que aquece mais depressa é a que esfria mais depressa?
  3. Qual delas reflete mais luz?
  4. Qual delas irradia mais luz?
  5. Qual delas transforma mais luz em calor?
  6. O que você acha que ocorre com a luz que incide na lata preta?
  7. O que você acha que acontece com a grande parte da energia que a Terra recebe do Sol em forma de luz visível?

  

 

D 3. Após a discussão das questões anteriores em grupo, peça aos grupos que nomeiem um dos componentes para apresentar a resposta aos demais colegas da sala. Agora peça ao aluno para dar um palpite sobre o porquê do radiador da geladeira, que fica na parte traseira, ser pintado de preto, mesmo sendo sua função de perder calor para o ambiente.

 

E.    Ondas de Radiação - A influência da temperatura com a radiação.

Assim como o Sol nos envia a radiação, uma simples vela ou o filamento de uma lâmpada também emite radiação, como está ilustrado na figura abaixo. A temperatura influencia diretamente no comprimento da radiação máxima emitida. A medida que a temperatura do  filamento de uma lâmpada incandescente se torna mais quente, a sua cor vai mudando de vermelha, amarela até ficar esbranquiçada. Não somente corpos aquecidos emitem radiação, mas todos os corpos emitem energia radiante continuamente. Até os nossos corpos emitem radiação infravermelha, por isso somos capazes de acionar os sensores de presença, pois esta radiação, embora invisível aos humanos, sensibilizam estes sensores.

 

lampada de tungstenio

 Figura 3 . Filamento de uma lâmpada incandescente, emite radiação infravermelha e radiação visível, devido a temperatura do filamento de tungstênio, no interior da lâmpada, atingir valores próximo de 3000K.
Imagem de: http://criatividade.files.wordpress.com/2007/02/lampada.jpg

A tabela, a seguir,  mostra diversas fontes de luz, com as respectivas temperaturas correlatas.

Tabela 3

tabela de radiação em diversos filamentos aquecidos

Fonte: www.rafaelfrota.com

 

E 1. Agora apresente o recurso a seguir “Radiação de corpo negro”do http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=11581 :

Corpo negro

 

 

O recurso, "Radiação de corpo negro", permite visualizar o espectro de emissão de luz de um corpo aquecido,  em diferentes temperaturas. Ele possibilita a verificação do comprimento de onda em que o corpo emite mais radiação, na temperatura em que está. 

 

E 2. Peça aos alunos, para simularem, usando este recurso, em temperaturas diversas e observarem o aspecto do espectro de emissão.

Na simulação pode ser observado o espectro de radiação emitida por cada corpo aquecido. 

 

E 3. Em grupo, os alunos devem relatar o que observaram com este simulador sobre a cor visível para algumas temperaturas e discutir a questões seguintes:

 

1. Quais foram as temperaturas que a luz era totalmente invisível, ou seja, seu máximo está situado fora do espectro visível?

2. Quando o corpo está a uma temperatura de 3800 K, qual o cor da região visível que ele emite mais intensamente?

3. Quando o corpo está a uma temperatura de 5400 K, qual o cor da região visível que ele emite mais intensamente?

4. Quando o corpo está a uma temperatura de 5900 K, qual o cor da região visível que ele emite mais intensamente?

5. Que mudança se observa, a medida que se varia a temperatura do emissor?

 

E 4. Após a discussão das questões anteriores em grupo, peça aos grupos que nomeiem um dos componentes para apresentar a resposta aos demais colegas da sala. Nesta etapa, o aluno já sabe que a radiação pode ser emitida por qualquer corpo que esteja acima de zero Kelvin, diferenciando o comprimento de onda da radiação máxima emitida para cada temperatura. Como pode ser representado na figura 4, a seguir.

 

esquem ado espectro de radiação

Figura 4. Espectro de emissão de radiação de corpo negro, para diferentes temperaturas, em Kelvin. Observe que à medida que a temperatura aumenta, mais o comprimento de onda da radiação máxima emitida se desloca para o azul. Imagem obtida de: http://www.fisica.uel.br/atomol/planck.gif

 

F.    Entender a radiação permite aplicações:

 F 1. Nesta parte, peça aos alunos para citarem algumas aplicações do entendimento de radiações em nosso cotidiano.

 

Peça que, em grupo, retirem ilustrações  da internet e montem uma apresentação em forma de slides com fotos para exibirem numa próxima aula.

 

 F 2. A seguir, algumas aplicações que podem ser apresentadas pelo professor:

 

Os vidros, que cobrem as estufas ou os coletores solares, retém grande parte do calor reemitido pela superfície aquecida, por está radiação reemitida terem terem comprimentos de onda maiores e não atravessarem o vidro. Isto faz com que o interior da estuda fique mais quente, o que é denominado de efeito estufa, figura 5. O mesmo ocorre na atmosfera, só que na atmosfera quem faz o papel do vidro são os gases que tornam a atmosfera mais densa , como o CO2

 

estufa radiação

Figura 5. Os vidros que cobrem as estufas retém grande parte da radiação reemitida pela superfície aquecida, pois a radiação reemitida tem comprimentos de onda maiores e não atravessam o vidro.
Imagem de: http://www.isolan.com.br/irradiacao1.jpg

 

O processo de radiação do calor é hoje em dia muito utilizado em aquecedor solar,  de ambientes e no forno microondas. Neste a radiação possui uma frequência bem definida, que só faz vibrar as moléculas de água dos alimentos.

 

Também a radiação infravermelha é utilizada no tratamento fisioterápico, como em aparelhos como o da figura abaixo, que são colocados próximo à lesão.

 

.luz para fisioterapia

Figura 6. Luz infravermelha utilizada em tratamento de lesões do corpo. Imagem obtida em: http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/infrav.jpg

 

Durante a apresentação dos slides confeccionado por cada grupo,  o apresentador do grupo deve deixar claro onde está a troca de calor por radiação de cada imagem.  

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Radiação de corpo negro Animação/simulação
Corpo negro Experimento prático
Recursos Complementares

 

 

Influência da cor na absorção ou emissão de calor radiante

aula do portal que pode ser acessada em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=33063

 

Corpo Negro: A luz contém Energia? 

outra abordagem, que foi apresentada no portal do professor em : http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=22090

Avaliação

Ao estudar esta aula o aluno deverá ser capaz de explicar:

  • Como  a energia do Sol chega até a Terra. 
  • Porque o papel alumínio impede a entrada de radiação. 
  • Dar exemplos de aplicações do fenômeno de troca de calor por radiação. 
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