Vamos falar sobre condução

Dando continuidade a nossa apresentação sobre os tipos de propagação de calor, chegamos hoje na condução, que acontece materiais sólidos. Diante do post passado, vimos que no interior dos sólidos existem os átomos e eles vão ser peça central na explicação da condução.

Vamos começar com as situações que você já deve ter encarado no dia-a-dia.

Figura 1. Ilustração de uma panela no fogo com uma colher feita de metal.

Fonte: Google Imagens

 Quero que imagine você durante seu momento de culinária mexendo o feijão ou até mexendo algum líquido na panela, e você esteja fazendo isso com o auxílio de uma colher feita de metal. Durante o tempo que você vai fazendo sua atividade, a colher  se torna insuportável de segurar, pois ela vai esquentando e o calor vai entrando pela ponta da colher até chega parte do cabo onde você segurando, claro que esse é um exemplo para um colher totalmente metálica, existe colheres com cabos de plásticos ou madeira que evitam esses problema. A forma que o calor se propagou foi através da condução.

Figura 2. Imagem de átomos em um sólido.

Fonte: Nuno Correia

Na figura 2, eu quero mostrar como cada átomo é representado na colher. No primeiro é chama em contato com a colher, nesse contato a ponta do metal começa a aquecer e os átomos começam a se agitar, perceba que na primeira parte da figura, tem muitos átomos representados pela cor azul, isso significa que esses estão em pouco movimento. Na segunda parte, já percebemos a presença de mais átomos vermelho isso significa que anteriores conseguiram fazer os vizinhos se movimentar. Como produto temos a terceira parte da imagem, e nela percebemos que a condução de calor por condução é uma especie de efeito dominó, e isso que após um certo tempo você não consegue mais segurar a colher, fica insuportável.

Figura 3. Pés sob a brasa.

Fonte: Google Imagens

Na figura 3, apresento um exemplo de uma pessoa caminhando na brasa. Agora quero trazer uma revelação para vocês que a Física consegue explicar, você já viu pessoas andarem em brasas correto, e já se perguntou do porque eles não danificarem seus pés fazendo essa maluquice? Acontece que a condução é excelente quando acontece metais, veja o exemplo da colher feita totalmente de metal, então o metal é um excelente condutor, agora a madeira por sua vez é uma péssima condutora de calor, e é por isso que tem utensílios de cozinha que tem cabos de madeira. O fato da madeira ser um péssimo condutor, implica que ela transfere muito pouco calor, e então ao utilizar brasas de madeira, o individuo não queimaria o pés tanto quanto se é imaginado, e é por isso que muita gente consegue caminhar na brasa, elas utilizam o fato da madeira ser uma péssima condutora de calor. (POR FAVOR NÃO TENTE REPETIR ESSE EXPERIMENTO EM CASA)

A gente já conversou sobre sólidos e metais, mas e o ar? e os líquidos? são bons condutores? Como mencionado no post anterior do blog, os átomos de gases e líquidos não estão muito juntinhos e isso implica que ambos não são bons condutores assim como a madeira. Sabe quando você vai tirar aquela pizza quentinha do forno e não se queima? isso está ligado com o ar que é um péssimo condutor, agora se você tocar na metálica, se arrependerá pelo resto vida HAHA.

Figura 4. Imagem de um iglu.

Fonte: Google imagens.

Você já se perguntou como os esquimós consegue viver em uma casa em que paredes são feitas totalmente de gelo? Acontece que a neve é um mau condutor. Os flocos de neves que são formados a partir de cristais, que aglomeram formando uma massa fofa, que aprisionam o ar e, portanto, atrapalham a transmissão de calor por condução da superfície da Terra.


Ficamos por aqui, qualquer dúvida pode deixar no comentários. Semana que vem retornaremos com a última parte de propagação de calor que é a radiação.

Os cincos estados da matéria

OS 5 ESTADOS DA MATÉRIA

Semana passada falamos sobre um dos tipos de propagação de calor que acontecia em fluídos(Gases ou Líquidos). Neste início de semana discutiremos a propagação por condução que acontece nos materiais sólidos. Mas antes de chegamos na condução, vamos falar um pouco sobre os estados da matéria. E em primeiro foco iremos da destaque as os três principais. 

Mas a diferença entre materiais que são sólidos, líquidos e gasosos? Primeiro temos que estabelecer o pilar central, a ideia de que a matéria é feita de átomos. Dito isto, começamos a explicar os sólidos e sua importância desde do tempo da idade Pedra e por sequência idade do Bronze e por fim idade do Ferro, que respectivamente a idade da Pedra tem como principal característica o uso da pedra para criação de ferramentas, a idade do Bronze onde o ser humano desenvolveu materiais de caça e cozinha com esta liga metálica e por último a idade do Ferro no qual o ser humano dominou o manejo do Ferro para melhorar suas ferramentas, afinal o ferro tinha uma durabilidade maior que o Bronze. Esses instrumentos se tornaram importantes na nossa história, mas como é que um sólido visto microscopicamente? A resposta está na Figura 1.

Figura 1. Imagem de átomos de um sólido.

 Na figura 1, percebemos que os átomos de um material sólidos são organizados de forma mais ordenada, seguindo um certo padrão. Em verde na figura 1, representamos as "molas" que ligam os átomos uns aos outros, mas isso é um assunto para outro dia. Agora como é um líquido? A resposta é mais abaixo.

Figura 2. Imagens de átomos de um líquido.

Na figura 2, já nota-se um pouco de afastamentos dos átomos, contendo em poucos pontos uma certa organização do átomos, e daqui já podemos responder em parte a nossa pergunta. Então o que diferencia um líquido para um sólido, pode ser entendido de uma vista microscópica, percebendo que em sólidos os átomos estão mais "juntinhos" e organizados, já em líquidos perdemos um pouco desse padrão. Claro você agora deve estar se perguntando, mas os átomos do sólidos não estão tão "juntinhos" quanto os dos líquidos, como resposta lhe digo que é uma mera ilustração, o real sentido é perceber o padrão formado nos líquidos e na figura 2, omitimos as "molas" mas elas estão lá. E como é um selfie de átomos em um gás? Apresento a vocês agora.

Figura 3. Imagem de átomos em um gás.

Consegue perceber que os átomos antes juntos em um sólidos, agora estão bem distantes uns dos outros com a ressalva de que estão organizados de forma caótica? Então assim mostramos a diferença entre gases, líquidos e sólidos. As maneiras com que o átomos se dispõe, mostra uma característica macroscópica. De forma mais simples, quando você ver uma barra de ferro, você saberá que dentro dessa barra os átomos estão dispostos como na figura 1. 

Voltando a discussão dos sólidos, o fato dos átomos ficarem organizados de forma mais compacta, isso implica em uma estrutura bem definida chamada de estrutura cristalina. Você quer ver como é um sal visto por dentro? Da uma olhadinha:

Figura 4. Estrutura cristalina do Sal de cozinha.

Fonte: Google Imagens

Veja, a estrutura é bem definida e com uma simetria fantástica, é desse jeito que os sólidos se apresentaram para você, quando você olha por dentro. Na próxima matéria iremos abordar mais um pouco sobre os sólidos e falar sobre o processo de propagação de calor por condução que envolve diretamente os sólidos.

Como bônus irei destacar mais dois estados da matéria poucos estudados no ensino médio que é o Plasma e o Condensado de Bose-Einstein.

Em alguns dos seus dias vidas, você já viu, usou ou escutou sobre as TV de plasma, mas você já se perguntou sobre como ela funcionava ou que tinha dentro dela? Antes de responder essa pergunta, vamos primeiro mostrar como se chega no plasma. Imagine um cubo de gelo (Sólido), agora derreta ele e obterá água (Líquido), agora pegue essa água e aqueça, obterá vapor (Gás), agora por fim "aqueça" mais um vez o gás, e obterá um gás ionizado e junto disso, você terá um bom condutor elétrico, pois agora os elétrons estão livres para passear, então o gás ionizado e condutor é um exemplo de Plasma. Sei que não parece claro isso, mas você já deve ter presenciado descargas elétricas (Raios), quando elas acontecem que o ar se ioniza e todos os gases presentes nele, com isso o parte que você enxerga na descarga é um tipo de Plasma.

Figura 5. Imagem de uma descarga elétrica. 

Fonte: Google Imagens. 

Mas e a TV? antigamente as TV's de tubo tinha como tecnologia utilizar um feixe de elétrons para ativar os pixels (Aliás você sabia que os pixels tem apenas três cores? Azul, Verde e Vermelho.) de acordo com o sinal de transmissão. Já nas TV's de plasma o feixe é substituído por micro lâmpadas conectadas através de uma placa de vídeo, e dentro dessas micro lâmpadas estão contidos mistura de gases e quando a placa de vídeo mandar o sinal, os eletrodos contidos nas lâmpadas liberam elétrons para se chocar nas misturas de gases que por fim o ioniza e transforma essa mistura em plasma que forma as belas imagens nas TV's de plasma. 

Por fim chegamos ao condensado de Bose-Einstein, diferente dos demais, esse estado é observado em um certo limite, e dificilmente você vai ouvir sobre ele na escola. De início quero alerta que existe dois tipos de partículas as bosônicas e as fermiônicas, no primeiro as partículas que são bosóns são partículas que gostam de ficar perto umas das outras, nas fermiônicas prevalece o espirito de individualismo, elas não são sociáveis e não se gostam entre si, um exemplo de partícula que é um bósons é o fóton ou até o famoso bóson de Higgs, já um exemplo de partícula que é um férmion é o elétron, próton e etc. Como sugere o inicio do paragrafo iremos abordar os bósons (Sacou o Bosen?), que como caraterística o spin 1/2, que quando estas partículas chegam próximas ao zero absoluto 0 K, eles buscam o estado de menor energia juntas e num certo limite de transição elas se condensam com muita pouca energia, o que é particularmente estranho, já que próximo ao zero absoluto, as velocidades são praticamente nulas. Claro que no tempo da descoberta Einstein não levou mais a fundo o estudo das propriedades dessa condensação, e tempos mais tarde no fim do seculo passado, pesquisadores estudaram essas propriedade desse estado da matéria e receberam Nobel tempos depois. 

Espero que tenham gostado de ler um pouco sobre os 5 estados da matéria. Próxima publicação será sobre a propagação de calor na forma de condução.

Vamos falar sobre convecção

Vamos falar hoje sobre Convecção.

Na Física que aprendemos no ensino médio, descobrimos que o calor que é a energia em trânsito e se propaga de três formas: Condução, Convecção e Radiação. No tópico de hoje falaremos em uma em específico, os demais ficam para uma próxima.

Mas afinal, como é essa propagação de calor por convecção? Onde ele ocorre? Onde relacionamos ele no dia-a-dia?

Primeiro, a peça central de nossos estudos hoje começa com os líquidos e gases. Ambos citados anteriormente tem como característica propagar o calor na forma de convecção. Você se perguntou do por que as bolhas de águas ficarem na parte de cima da panela? ou do por que a água da praia tem uma temperatura mais confortável a noite? 

Para entrar nesse mundo incrível da Física, devo explicar a vocês como a convecção funciona. A convecção que é um modo de transferir o calor, faz isso através do movimento do fluido em questão. 

Figura 1. Exemplo de convecção na água.

Fonte: Google Imagens

Na figura 1, encontramos um exemplo de como a convecção funciona nos fluidos, nesse caso em questão na água. De ínicio temos a água na parte de baixo em contato com fogo que por sua vez aquece a água, as moléculas presente na água começam a "correr" rapidamente, afastando uma das outras, que implica numa densidade menor. Então a água quente tem uma densidade menor do que a água fria. 

Você observa que em alguns casos objetos tendem a ficar boiando na água, e observa também que outros objetos não, e isso está relacionado com a densidade, corpos com menor densidade tende a subir, e corpos com uma maior densidade tende a descer. O que está acontecendo na água é exatamente isso, a água quente sobe e por isso você enxerga as bolhas, e a água fria tende a descer para que possa ser esquentada assim mantendo um processo cíclico.

Agora um pequeno experimento: Com sua boca aberta, sopre sobre sua mão! Notou algo morno? Agora repita isso, mas agora contraia seus lábios para deixar apenas uma pequena passagem de ar! Notou algo frio? O que você acha que está por trás disso? Uma coisa eu posso dizer: Expandindo-se, o ar esfria.

Agora o que acontece na praia?

Figura 2. Imagem mostrando as correntes de ar na praia.

Fonte: InfoEscola

Para começar tem mais uma coisinha de física que trataremos depois que é o calor específico. Cada material tem uma capacidade de absorver calor, o da areia é menor do que o da água, e com o sol durante o dia a areia fica bastante quente, então durante o dia cria-se uma corrente de ar, o ar sobre a areia é quente e sobre a ar água é fria, como dito antes, o ar quente vai para o lugar o do ar frio, e vice-versa, produzindo uma corrente de ar. Já durante a noite o processo ocorre o contrário, a areia fica fria e a água quente, e resultando numa clima mais confortável durante a noite na praia, por isso utilize a noite para fazer exercícios físico na praia.

Por fim temos outro fenômeno que tem por explicação a convecção, como sabemos do exemplo da água, o ar quente tende a subir por conta sua densidade ser menor do que o ar frio, isso resulta em correntes de convecção que é bastante utilizadas por pássaros para voar sem precisar bater as asas ou para saltadores de asa delta. Veja a figura abaixo mostrando as correntes:

Figura 3. Como as aves utilizam as correntes de convecção

Fonte: Google Imagens.

Na primeira parte á esquerda a ave está subindo em círculos aproveitando o ar quente que está subindo, e na parte central observamos a ave utilizando o ar frio para descer. 

No vídeo abaixo vemos uma ave utilizando  as correntes para voar.

Vídeo 1. Ave planando com as correntes de convecção.

Espero que tenham gostado deste tópico sobre a convecção. Poderíamos estender, mostrando o ar-condicionado, geladeiras, aquecedores e etc. Mas fica pra uma próxima.