O fluxo de calor é uma grandeza física vetorial que mede a taxa de calor (energia térmica) transmitida a um corpo. Ele indica que o calor flui naturalmente do corpo de temperatura mais alta para o corpo de temperatura mais baixa.
O fluxo de calor pode ser calculado por meio do produto entre a condutividade térmica do material, a área da secção transversal e a variação da temperatura sobre a espessura da parede. Ele também pode ser calculado pela razão entre a quantidade de calor e a variação do tempo.
Leia também: Quais são as formas de propagação de calor?
Tópicos deste artigo
- 1 - Resumo sobre fluxo de calor
- 2 - O que é fluxo de calor?
- 3 - Para que serve o fluxo de calor?
- 4 - Fórmula do fluxo de calor
- 5 - Como calcular o fluxo de calor?
- 6 - Fluxo de calor e lei de Fourier
- 7 - Exercícios resolvidos sobre fluxo de calor
Resumo sobre fluxo de calor
- O fluxo de calor é uma grandeza física vetorial que indica que o calor flui naturalmente do corpo de temperatura mais alta para o corpo de temperatura mais baixa.
- Pode ser calculado por meio do produto entre a condutividade térmica do material, a área da secção transversal e a variação da temperatura sobre a espessura da parede.
- Ele também pode ser calculado pela razão entre a quantidade de calor e a variação do tempo.
- A lei de Fourier afirma que o fluxo de calor entre corpos e paredes é proporcional à condutividade térmica do material, à área da secção transversal, à variação de temperatura entre as regiões separadas pela parede, mas inversamente proporcional à espessura dessa parede.
O que é fluxo de calor?
Também chamado de fluxo térmico ou fluxo termal, o fluxo de calor é a grandeza física vetorial que indica a quantidade de calor que se propaga por condução térmica entre diferentes corpos durante um intervalo de tempo.
O fluxo de calor ocorre do corpo de maior temperatura em direção ao corpo de menor temperatura, até que ambos estejam na mesma temperatura, ou seja, em equilíbrio térmico.
Para que serve o fluxo de calor?
O fluxo de calor existe para que corpos em diferentes temperaturas consigam entrar em equilíbrio térmico, propiciando uma série de benefícios. Abaixo selecionamos algumas situações em que temos a ocorrência de fluxo de calor.
- Alimentos se esfriam quando colocados em temperatura ambiente, evitando queimaduras.
- Alimentos se resfriam quando colocados na geladeira, permitindo sua conservação.
- Alimentos se aquecem quando colocados no fogo, permitindo o seu cozimento e evitando contaminação.
- Tomar banhos gelados permite esfriarmos o corpo, diminuindo a temperatura corporal.
- Compressas geladas permitem a diminuição da nossa temperatura e, consequentemente, abaixam nossa febre.
Fórmula do fluxo de calor
O fluxo de calor é calculado pela seguinte fórmula:
\(\Phi=\frac{k\cdot A\cdot\Delta T}l\)
- \(\Phi\) → fluxo de calor, medido em Watt [W].
- k → condutividade térmica do material, medida em [W/m∙K].
- A → área da secção transversal, medida em [m2].
- \(\Delta\) T → variação de temperatura entre as regiões separadas pela parede, medida em Kelvin [K].
- l
→ espessura da parede ou extensão atravessada, medida em metros [m]
.
O fluxo de calor também pode ser calculado pela fórmula:
\(\Phi=\frac{Q}{\Delta t}\)
- \(\Phi\) → fluxo de calor, medido em Watt W.
- Q
→ quantidade de calor, medida em Joule [J]
. - \(\Delta\)t
→ variação do tempo de transmissão, medida em segundos [s]
.
Como calcular o fluxo de calor?
O fluxo de calor é calculado de acordo com as informações fornecidas pelo enunciado. Podemos usar as duas fórmulas estudadas anteriormente ou a combinação delas. Abaixo selecionamos alguns exemplos de como se calcula o fluxo de calor.
- Exemplo 1:
Dois cômodos vizinhos, separados por uma parede de 0,5 m de espessura e área de 100 m2
, estão em temperaturas de \(T_1=288\ K \ e\ T_2=353\ K\). Considerando que a condutividade térmica dessa parede é de \(2,5\ W/m\cdot K\)
, calcule o fluxo de calor entre eles.
Resolução:
Calcularemos o fluxo de calor por meio da fórmula que o relaciona à condutividade térmica, à área da secção transversal, à variação da temperatura e à espessura da parede:
\(\Phi=\frac{k\cdot A\cdot\Delta T}l\)
\(\Phi=\frac{k\cdot A\cdot(T_f-T_i)}{l}\)
\(\Phi=\frac{2,5\ \cdot100\cdot(353-288)}{0,5\ }\)
\(\Phi=\frac{2,5\ \cdot100\cdot(65)}{0,5\ }\)
\(\Phi=32\ 500\ W\)
- Exemplo 2:
Sabendo que o calor transmitido, durante 100 s, é 200.000 J, determine o fluxo de calor.
Resolução:
Calcularemos o fluxo de calor por meio da fórmula que o relaciona à quantidade de calor e à variação de tempo:
\(\Phi=\frac{Q}{\Delta t}\)
\(\Phi=\frac{200.000}{100}\)
\(\Phi=2000\ W\)
Fluxo de calor e lei de Fourier
A lei de Fourier, ou lei da condução térmica, é uma lei da termologia descoberta pelo físico e matemático Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830), conhecido como barão de Fourier, que investigou a propagação de calor por meio da condução térmica.
Essa lei afirma que o fluxo de calor entre corpos e paredes é proporcional à condutividade térmica do material, à área da secção transversal, à variação de temperatura entre as regiões separadas pela parede, mas inversamente proporcional à espessura dessa parede, dando origem a sua fórmula:
\(\Phi=\frac{k\cdot A\cdot\Delta T}{l}\)
- \(\Phi\)
→ fluxo de calor, medido em Watt [W]
. - k → condutividade térmica do material, medida em [W/m∙K]
. - A
→ área da secção transversal, medida em [m2]
. - \(\Delta\) T → variação de temperatura entre as regiões separadas pela parede, medida em Kelvin [K]
. - l → espessura da parede ou extensão atravessada, medida em metros [m].
Para saber mais detalhes sobre a lei de Fourier, clique aqui.
Exercícios resolvidos sobre fluxo de calor
Questão 1
(IME - Adaptada) Um vidro plano, com coeficiente de condutibilidade térmica 0,00183 cal/s∙cm∙°C
, tem uma área de 1000 cm²
e espessura de 3,66 mm
. Sendo o fluxo de calor por condução através do vidro de 2000 
calorias por segundo, calcule a diferença de temperatura entre suas faces.
A) 0,4 °C
B) 400 °C
C) 4000 °C
D) 40 °C
E) 4 °C
Resolução:
Alternativa B
Primeiramente, convertermos a espessura de milímetros para centímetros:
\(3,66\ mm\ =\ 0,366\ cm\)
Por fim, calcularemos o fluxo de calor por meio da sua fórmula:
\(\Phi=\frac{k\cdot A\cdot\Delta T}{l}\)
\(2000=\frac{0,00183\cdot1000\cdot\Delta T}{0,366}\)
\(2000=\frac{1,83\cdot \Delta T}{0,366}\)
\(2000=5\cdot\Delta T\)
\(\Delta T=\frac{2000}{5}\)
\(\Delta T=400 °C\)
Questão 2
(UFT) Uma sala de estúdio é mantida em temperatura de 20 ºC e encontra-se separada de uma sala vizinha, em temperatura ambiente de 30 ºC, por uma janela retangular de vidro de 8,0 mm de espessura, 1,0 m de altura e 1,5 m de largura. Sabendo que a condutividade térmica do vidro é 0,80 W/m∙K
, o total de calorias transmitidas pela janela, após 4,2 minutos, é de aproximadamente:
A) 1,50 kcal.
B) 37,8 kcal.
C) 60,0 kcal.
D) 90,0 kcal.
E) 126 kcal.
Resolução:
Alternativa D
Primeiramente, converteremos o tempo de minutos para segundos e a espessura de milímetros para metros:
\(4,2\ min\ =\ 252\ s\)
\(8,0\ mm=0,008\ m\)
Depois, calcularemos o calor transmitido por meio da fórmula do calor relacionada à lei de Fourier:
\(Q=\frac{k\cdot A\cdot\Delta T\cdot\Delta t}l\)
\(Q=\frac{k\cdot A\cdot(Tf-Ti)\cdot\Delta t}l\)
\(Q=\frac{0,8\cdot1,5\cdot(30-20)\cdot252}{0,008\ }\)
\(Q=\frac{0,8\cdot1,5\cdot(10)\cdot252}{0,008\ }\)
\(Q=378.000\ J\)
Por fim, converteremos o calor de calorias para Joule, em que 1 cal = 4,2 J
, então:
\(Q=\frac{378.000\ J}{4,2}\)
\(Q=90.000\ cal\)
\(Q=90\ kcal\)
Fontes
NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). Editora Blucher, 2015.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica (vol. 2). 10. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2016.
