Transferência de calor

Digamos que você pegue um copo de água gelada ou uma xícara de café quente e os deixa sobre a mesa da cozinha. O que irá acontecer? Simples: a xícara de café esfria e chega à temperatura ambiente e o copo de água se iguala à mesma temperatura. Isso é termodinâmica: se você coloca juntos dois objetos de temperaturas diferentes, a transferência de calor vai fazer com que ambos fiquem com a mesma temperatura. 

Se você quiser manter o café quente o máximo de tempo possível, isto é, se quiser reduzir ao máximo o processo natural de transferência de calor, reduza os três processos que geram a transferência: condução, radiação e convecção.

• Condução - vamos começar com uma pergunta simples: o que é calor? O calor é uma quantidade de energia associada ao movimento dos átomos. Um átomo - "representa seu calor" - por meio da sua velocidade. Em temperatura zero absoluto, não há movimento de átomos (e por isso não há calor). Mas em qualquer temperatura acima dessa há movimentação dos átomos e por isso eles se "aquecem". O calor é transferido por condução quando um átomo colide com outro. É como se fossem pequenas bolas de bilhar colidindo: o segundo átomo adquire um pouco do movimento do primeiro. O calor é transferido por essas colisões.

O melhor exemplo desse fenômeno seria pegar uma barra de metal e aquecer uma das pontas. A outra extremidade seria aquecida e ficaria quente por meio da condução. Quando você coloca uma panela de metal sobre o fogão, a parte interna dela esquenta devido à da condução de calor através de seu fundo de metal. Alguns materiais (como metais) são melhores condutores de calor do que outros (por exemplo, plásticos).

• Radiação - um outro efeito do movimento de átomos é a vibração, que por sua vez causa o fenômeno de emissão de radiação infravermelha. De acordo com a Enciclopédia Britânica: " a radiação infravermelha é absorvida e emitida pelas rotações e vibrações de átomos unidos quimicamente ou por grupos de átomos e, assim, por vários tipos de materiais". A radiação infravermelha é uma forma de luz.

Nossos olhos são capazes de ver essa radiação, mas nossa pele pode senti-la. Cerca da metade da energia solar que nos alcança é radiação infravermelha invisível, e o restante é visível como luz. O infravermelho, assim como a luz visível, é refletido por espelhos e é melhor absorvido por objetos escuros. Quando essa radiação é absorvida, resulta em um aumento do movimento atômico, portanto, em aumento de temperatura. Alguns exemplos comuns de radiação infravermelha são o calor irradiando por um aquecedor elétrico ou por um pedaço de metal em brasa, o calor da lenha de uma lareira (mesmo que o fogo esteja apagado) e o calor que você sente uma parede de concreto irradiar depois do pôr-do-sol.

• Convecção - a convecção é um fenômeno que ocorre em líquidos e gases. Quando a parte de um líquido ou um gás esquenta, ela tende a se elevar acima do restante da substância. Se você coloca um prato de sopa sobre a mesa, ele aquece uma camada de ar ao seu redor. Essa camada sobe porque é mais quente que o ar ao redor. Ar frio preenche o espaço deixado pela movimentação de ar quente. Esse novo ar frio é então aquecido e se eleva, criando dessa forma um movimento ciclico. É possível acelerar a convecção aumentando a movimentação do líquido ou do gás (é por isso que você assopra a sopa para esfriá-la). Se não fosse convecção, a sopa permaneceria quente por muito mais tempo, pois o ar é um péssimo condutor de calor.

Você pode sentir os 3 processos de transferência de calor quando você está próximo a uma fogueira:

Provavelmente você vai precisar ficar pelo menos uns seis metros longe de uma fogueira como essa. O que afasta você é o calor da radiação do fogo através da radiação infravermelha. As chamas e a fumaça (em inglês) se movimentam por convecção: o ar ao redor do fogo se aquece e sobe. Uma parte do solo, logo abaixo do fogo, ficará quente por condução, e um pouco mais longe a camada superior do solo é aquecida diretamente por radiação e o calor é conduzido para as camadas inferiores.

Para montar uma boa garrafa térmica, o que é necessário é reduzir ao máximo esses três fenômenos de transferência de calor.