Numa escala microscópica, a condução ocorre dentro de um corpo considerado como estacionário; isto significa que as energias cinéticas e potenciais do movimento de massa do corpo são contabilizadas separadamente. A energia interna difunde-se à medida que átomos e moléculas em movimento rápido ou em vibração interagem com partículas vizinhas, transferindo algumas das suas energias cinéticas e potenciais microscópicas, sendo estas quantidades definidas em relação à maior parte do corpo considerado como estacionário. O calor é transferido por condução quando átomos ou moléculas adjacentes colidem, ou quando vários electrões se movem para trás e para a frente de átomo para átomo de uma forma desorganizada de modo a não formar uma corrente eléctrica macroscópica, ou quando os fotões colidem e se dispersam. A condução é o meio mais significativo de transferência de calor dentro de um sólido ou entre objectos sólidos em contacto térmico. A condução é maior nos sólidos porque a rede de relações espaciais fixas relativamente próximas entre átomos ajuda a transferir energia entre eles por vibração.
Condutância térmica de contacto é o estudo da condução de calor entre corpos sólidos em contacto. Uma queda de temperatura é frequentemente observada na interface entre as duas superfícies em contacto. Diz-se que este fenómeno é o resultado de uma resistência de contacto térmico existente entre as superfícies em contacto. A resistência térmica interfacial é uma medida da resistência de uma interface ao fluxo térmico. Esta resistência térmica difere da resistência de contacto, uma vez que existe mesmo interfaces atomicamente perfeitas. A compreensão da resistência térmica na interface entre dois materiais é de primordial importância no estudo das suas propriedades térmicas. As interfaces contribuem frequentemente significativamente para as propriedades observadas dos materiais.
A transferência intermolecular de energia pode ser principalmente por impacto elástico, como em fluidos, ou por difusão livre de electrões, como em metais, ou vibração do fono, como em isoladores. Nos isoladores, o fluxo de calor é transportado quase inteiramente por vibrações do fonão.
Metais (por exemplo, cobre, platina, ouro, etc.) são normalmente bons condutores de energia térmica. Isto deve-se à forma como os metais se ligam quimicamente: as ligações metálicas (em oposição às ligações covalentes ou iónicas) têm electrões em movimento livre que transferem a energia térmica rapidamente através do metal. O fluido electrónico de um sólido metálico condutivo conduz a maior parte do fluxo de calor através do sólido. O fluxo fonónico ainda está presente mas transporta menos da energia. Os electrões também conduzem corrente eléctrica através dos sólidos condutores, e as condutividades térmica e eléctrica da maioria dos metais têm aproximadamente a mesma relação. Um bom condutor eléctrico, como o cobre, também conduz bem o calor. A termoeletricidade é causada pela interacção do fluxo de calor e da corrente eléctrica. A condução de calor dentro de um sólido é directamente análoga à difusão de partículas dentro de um fluido, na situação em que não há correntes de fluido.
Em gases, a transferência de calor ocorre através de colisões de moléculas de gás umas com as outras. Na ausência de convecção, que está relacionada com uma fase de fluido ou gás em movimento, a condução térmica através de uma fase de gás é altamente dependente da composição e pressão desta fase e, em particular, do caminho médio livre das moléculas de gás em relação ao tamanho da fenda do gás, como dado pelo número Knudsen K n {\displaystyle K_{n}}}.
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Para quantificar a facilidade com que um determinado meio conduz, os engenheiros empregam a condutividade térmica, também conhecida como constante de condutividade ou coeficiente de condução, k. Na condutividade térmica, k é definido como “a quantidade de calor, Q, transmitida no tempo (t) através de uma espessura (L), numa direcção normal para uma superfície de área (A), devido a uma diferença de temperatura (ΔT)”. A condutividade térmica é uma propriedade material que depende principalmente da fase, temperatura, densidade e ligação molecular do meio. A efusividade térmica é uma quantidade derivada da condutividade, que é uma medida da sua capacidade de trocar energia térmica com o seu ambiente.
Condução em estado estacionárioEditar
Condução em estado estacionário é a forma de condução que ocorre quando a(s) diferença(s) de temperatura que conduzem a condução são constantes, de modo que (após um tempo de equilíbrio), a distribuição espacial das temperaturas (campo de temperatura) no objecto condutor não se altera mais. Assim, todas as derivadas parciais de temperatura relativas ao espaço podem ser zero ou ter valores não zero, mas todas as derivadas de temperatura em qualquer ponto relativo ao tempo são uniformemente zero. Na condução em estado estacionário, a quantidade de calor que entra em qualquer região de um objecto é igual à quantidade de calor que sai (se não fosse assim, a temperatura estaria a subir ou a descer, uma vez que a energia térmica foi aproveitada ou retida numa região).
Por exemplo, uma barra pode ser fria numa extremidade e quente na outra, mas depois de se atingir um estado de condução em estado estacionário, o gradiente espacial das temperaturas ao longo da barra não se altera mais, à medida que o tempo avança. Em vez disso, a temperatura permanece constante em qualquer secção transversal da barra normal à direcção da transferência de calor, e esta temperatura varia linearmente no espaço no caso de não haver geração de calor na barra.
Na condução em estado estacionário, todas as leis da condução eléctrica de corrente contínua podem ser aplicadas às “correntes de calor”. Nesses casos, é possível tomar “resistências térmicas” como análogas às resistências eléctricas. Nesses casos, a temperatura desempenha o papel de voltagem, e o calor transferido por unidade de tempo (energia térmica) é o análogo da corrente eléctrica. Os sistemas em estado estacionário podem ser modelados por redes de tais resistências térmicas em série e em paralelo, em analogia exacta com as redes eléctricas de resistências. Ver circuitos térmicos puramente resistivos para um exemplo de tal rede.
Condução transitóriaEditar
Durante qualquer período em que as temperaturas mudam no tempo em qualquer lugar dentro de um objecto, o modo de fluxo de energia térmica é denominado condução transitória. Outro termo é condução “não-estacionária”, referindo-se à dependência do tempo dos campos de temperatura num objecto. As situações de não estado estacionário surgem após uma mudança imposta na temperatura a um limite de um objecto. Podem também ocorrer com alterações de temperatura dentro de um objecto, como resultado de uma nova fonte ou dissipador de calor introduzido subitamente dentro de um objecto, fazendo com que as temperaturas próximas da fonte ou dissipador mudem no tempo.
Quando uma nova perturbação de temperatura deste tipo acontece, as temperaturas dentro do sistema mudam no tempo para um novo equilíbrio com as novas condições, desde que estas não mudem. Após o equilíbrio, o fluxo de calor para dentro do sistema volta a ser igual ao fluxo de calor para fora, e as temperaturas em cada ponto dentro do sistema já não mudam. Quando isto acontece, a condução transitória termina, embora a condução em estado estável possa continuar se o fluxo de calor continuar.
Se as mudanças nas temperaturas externas ou na geração interna de calor forem demasiado rápidas para que o equilíbrio das temperaturas no espaço ocorra, então o sistema nunca atinge um estado de distribuição de temperatura imutável no tempo, e o sistema permanece num estado transitório.
Um exemplo de uma nova fonte de calor “ligada” dentro de um objecto, causando uma condução transitória, é um motor que arranca num automóvel. Neste caso, a fase de condução térmica transitória para toda a máquina termina, e a fase de estado estacionário aparece, assim que o motor atinge a temperatura de funcionamento em estado estacionário. Neste estado de equilíbrio de estado estacionário, as temperaturas variam muito desde os cilindros do motor até outras partes do automóvel, mas em nenhum ponto do espaço dentro do automóvel a temperatura aumenta ou diminui. Após estabelecer este estado, a fase de condução transitória da transferência de calor é superior a.
Novas condições externas também causam este processo: por exemplo, a barra de cobre no exemplo da condução em estado estacionário experimenta uma condução transitória assim que uma extremidade é sujeita a uma temperatura diferente da outra. Com o tempo, o campo de temperaturas no interior da barra atinge um novo estado estacionário, no qual um gradiente de temperatura constante ao longo da barra é finalmente estabelecido, e este gradiente permanece então constante no espaço. Normalmente, este novo gradiente de estado estacionário é abordado exponencialmente com o tempo após a introdução de uma nova fonte de temperatura ou de calor, ou pia. Quando uma fase de “condução transitória” termina, o fluxo de calor pode continuar em alta potência, desde que as temperaturas não mudem.
Um exemplo de condução transitória que não termina com uma condução em estado estacionário, mas sim sem condução, ocorre quando uma bola de cobre quente cai no óleo a uma temperatura baixa. Aqui, o campo de temperatura dentro do objecto começa a mudar em função do tempo, à medida que o calor é removido do metal, e o interesse reside em analisar esta mudança espacial de temperatura dentro do objecto ao longo do tempo até que todos os gradientes desapareçam por completo (a esfera atingiu a mesma temperatura que o óleo). Matematicamente, esta condição também é abordada exponencialmente; em teoria, leva tempo infinito, mas, na prática, termina, para todos os efeitos, num período muito mais curto. No final deste processo sem dissipador de calor, mas com as partes internas da bola (que são finitas), não há uma condução de calor estável a alcançar. Tal estado nunca ocorre nesta situação, mas antes o fim do processo é quando não há qualquer condução de calor.
A análise de sistemas de condução não em estado estacionário é mais complexa do que a dos sistemas em estado estacionário. Se o corpo condutor tiver uma forma simples, então poderão ser possíveis expressões e soluções matemáticas analíticas exactas (ver equação de calor para a abordagem analítica). Contudo, na maioria das vezes, devido a formas complicadas com diferentes condutividades térmicas dentro da forma (ou seja, a maioria dos objectos, mecanismos ou máquinas complexas na engenharia), muitas vezes é necessária a aplicação de teorias aproximadas, e/ou análise numérica por computador. Um método gráfico popular envolve a utilização de Heisler Charts.
Ocasionalmente, os problemas de condução transitórios podem ser consideravelmente simplificados se as regiões do objecto a ser aquecido ou arrefecido puderem ser identificadas, para as quais a condutividade térmica é muito maior do que a dos caminhos de calor que conduzem à região. Neste caso, a região com elevada condutividade pode muitas vezes ser tratada no modelo de capacidade aglomerada, como um “aglomerado” de material com uma simples capacidade térmica que consiste na sua capacidade térmica agregada. Tais regiões quentes ou frias, mas não apresentam variação significativa de temperatura ao longo da sua extensão, durante o processo (em comparação com o resto do sistema). Isto deve-se à sua condutância muito mais elevada. Durante a condução transitória, portanto, a temperatura através das suas regiões condutoras muda uniformemente no espaço, e como um simples exponencial no tempo. Um exemplo de tais sistemas são os que seguem a lei de Newton de arrefecimento durante o arrefecimento transitório (ou o inverso durante o aquecimento). O circuito térmico equivalente consiste de um condensador simples em série com uma resistência. Nestes casos, o resto do sistema com uma elevada resistência térmica (relativamente baixa condutividade) desempenha o papel da resistência no circuito.
Condução relativistaEditar
A teoria da condução relativista de calor é um modelo compatível com a teoria da relatividade especial. Durante a maior parte do século passado, foi reconhecido que a equação de Fourier está em contradição com a teoria da relatividade porque admite uma velocidade infinita de propagação de sinais de calor. Por exemplo, de acordo com a equação de Fourier, um impulso de calor na origem seria sentido ao infinito instantaneamente. A velocidade de propagação da informação é mais rápida do que a velocidade da luz no vácuo, que é fisicamente inadmissível no quadro da relatividade.
Condução quânticaEditar
Segundo som é um fenómeno mecânico quântico em que a transferência de calor ocorre por movimento ondulatório, e não pelo mecanismo mais usual de difusão. O calor toma o lugar da pressão em ondas sonoras normais. Isto leva a uma condutividade térmica muito elevada. É conhecido como “segundo som” porque o movimento de onda de calor é semelhante à propagação do som no ar.