SOL RADIANTE: TRANSMISSÃO DE CALOR

Sol Radiante

Que em Física quer dizer que se propaga através de irradiação ou radiação, que emite raios.

A irradiação ou radiação é o processo mais importante de propagação de calor, pois é através dele que o calor do Sol chega até a Terra. Sem esse processo não haveria vida na Terra.

A irradiação é o processo de transferência de calor através de ondas eletromagnéticas, chamadas ondas de calor ou calor radiante. 

De um modo geral podemos dizer que, em diferentes quantidades, todos os corpos emitem energia radiante devido a sua temperatura. Estas radiações, ao serem absorvidas por outro corpo, provocam, nele, uma elevação de temperatura.

Quando uma pessoa está próxima de um corpo aquecido, em geral, recebe calor pelos três processos: condução, convecção e irradiação. Quanto maior for a temperatura do corpo aquecido, maior será a quantidade de calor transmitida por radiação.

Fogueira irradia e aquece as moléculas de ar a sua volta.

Quando aquecidos, os metais irradiam.

A irradiação ou radiação térmica ao incidir em um corpo tem uma parte absorvida e outra refletida pelo corpo. 

Corpos escuros absorvem a maior parte da radiação que incide sobre eles, enquanto os corpos claros refletem quase totalmente a radiação térmica incidente. É por isso que um corpo preto, quando colocado ao Sol, tem sua temperatura sensivelmente elevada, ao contrário dos corpos claros, que absorvem pouco calor.

Energia Ionizante do Sol 

A energia produzida pelo Sol chega parcialmente à Terra em forma de ondas eletromagnéticas. Na superfície terrestre, a intensidade da radiação solar chega a 1366 kW/m² (quilowatts por metro quadrado), e esse valor varia menos que 0,1 % durante todo o período orbital. Toda essa energia é proveniente de fusões nucleares que ocorrem no núcleo do Sol e são capazes de converter átomos de hidrogênio em átomos de hélio.

A composição do Sol é de 74% de hidrogênio e 24% de hélio, sendo o percentual restante formado principalmente por oxigênio, carbono e ferro. Toda a energia produzida pelo Sol é proveniente do processo de fusão nuclear decorrente das grandes temperaturas de seu núcleo (cerca de 15 milhões de kelvin) e de sua enorme pressão.

Consequentemente, nossa estrela é capaz de converter átomos de hidrogênio em hélio, e os números são incríveis: a cada segundo, o Sol funde cerca de 600 milhões de toneladas de hidrogênio em hélio, convertendo parte dessa massa em energia, na forma de ondas eletromagnéticas, como os raios gama.

Embora a radiação solar incida em linha reta, os gases e aerossóis podem causar seu espalhamento, dispersando-a em todas as direções: para cima, para baixo e para os lados. 

A insolação difusa é constituída de radiação solar que é espalhada ou refletida de volta para a Terra. Esta insolação difusa é responsável pela claridade do céu durante o dia e pela iluminação de áreas que não recebem iluminação direta do Sol.

 Aproximadamente 30% da energia solar é refletida de volta para o espaço.

O espalhamento e a reflexão simplesmente mudam a direção da radiação. Contudo, através da absorção, a radiação é convertida em calor. Quando uma molécula de gás absorve radiação esta energia é transformada em movimento molecular interno, detectável como aumento de temperatura. Portanto, são os gases que são bons absorvedores da radiação disponível que tem papel preponderante no aquecimento da atmosfera.

O efeito estufa natural do Planeta Terra é que garante a temperatura média em todo o globo terrestre.

Cerca de 1,3% de toda a energia que é produzida pelo Sol está na forma de minúsculas partículas chamadas de neutrinos. Os neutrinos são tão pequenos que são capazes atravessar o interior do nosso planeta sem tocar em um único átomo sequer. O Sol emite uma enorme quantidade dessas partículas, para ter-se uma ideia, aqui na Terra estamos expostos a um fluxo de 8.1010 neutrinos por centímetro quadrado, a cada segundo.

Como já sabemos, grande parte restante da energia que é produzida pelo Sol é emitida em forma de ondas eletromagnéticas. Os fótons de luz que são criados no núcleo solar só conseguem chegar à sua superfície após um período de aproximadamente 170 mil anos. Isso acontece em razão da alta densidade no interior do Sol, portanto, ao olharmos para o astro, a luz que chega aos nossos olhos foi produzida há pelo menos 170 mil anos. Depois de deixar o Sol, a luz leva pouco mais de oito minutos para chegar até a Terra.

Quando as partículas ionizantes do Sol carregadas pelo vento solar encontram o campo magnético terrestre, elas são aceleradas e espiralam em direção aos polos magnéticos da Terra. A excitação causada pelo atrito entre as partículas do vento solar e a atmosfera resulta na emissão de luz visível, conhecidas popularmente como auroras polares.

Aurora Boreal na Finlândia.

Aurora Austral na Antártida.

Praticamente toda a troca de energia entre a Terra e o resto do Universo ocorre por radiação, que é a única que pode atravessar o relativo vazio do espaço. O sistema Terra-atmosfera está constantemente absorvendo radiação solar e emitindo sua própria radiação para o espaço. Numa média de longo prazo, as taxas de absorção e emissão são aproximadamente iguais, de modo que o sistema está muito próximo ao equilíbrio radiativo. A radiação também tem papel importante na transferência de calor entre a superfície da Terra e a atmosfera e entre diferentes camadas da atmosfera.

Na imagem o cachorro recebe calor do sol por irradiação e, da areia, por condução.

O ar ao seu redor se aquece por convecção.

TRANSMISSÃO DE CALOR

O calor pode se propagar em meios sólidos, em meios fluidos ou até mesmo no vácuo. Portanto o calor pode ser transmitido de três maneiras distintas: por condução, principalmente em sólidos, por convecção, nos meios fluídos e por irradiação, sem necessidade de um meio material.

Transmissão por convecção--> os líquidos e os gases não são bons condutores de calor, No entanto, eles podem transmitir calor de modo significativo por convecção. Esse processo consiste na movimentação de partes do fluído dentro do próprio fluído.

Exemplo:

A parte de baixo da água ao ser aquecida sofrerá expansão, terá sua densidade diminuída, pelo princípio de Arquimedes subirá. A parte superior, mais fria e densa descerá, formando as correntes de convecção, uma ascendente a outra descendente.

Aplicações no cotidiano:

Geladeiras e Aquecedores

Atmosfera

    Transmissão por irradiação--> Todos os corpos emitem ondas eletromagnéticas cujas características e intensidades dependem do grau de aquecimento do corpo. Isso é chamado de irradiação ( ou radiação) térmica.

Exemplos: 

Figuras mostram como se comporta a transmissão de calor por irradiação, temos uma fonte de calor emitindo, uma parte é refletida e outra parte é absorvida.

Aplicações no cotidiano:

Garrafas Térmicas

Estufas   Agrícolas

Transmissão por condução--> quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, às moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio transferem energia para este. Esse processo de transferência de calor é chamado de condução.

 

A rapidez (Fluxo de calor) com que o calor é transmitido por condução é dado por:

ɸ= fluxo de calor, unidade no SI [J/s]=[Joule/segundo]=[w]=[watt]

Δt= intervalo de tempo, Δt= tf-ti

Ou pode ser calculado por:

Onde:

Δθ =θ1-θ2 temperatura maior para a menor. 

K= é a constante de condutividade térmica e depende do material.

A= área

L= largura ou espessura.

Exemplo: 

Em uma residência há uma vidraça de área igual a 5m² e espessura de 2,0mm. Suponhamos que a temperatura no interior da residência seja 20°C e no exterior seja 18°C. A condutividade do vidro é 0,84J/sm°C, calcule o fluxo de calor através da vidraça: