A energia térmica é a energia interna da matéria composta pelas energias cinética e potencial dos átomos e moléculas (partículas) de um objeto. A variação dessa energia térmica é denominada calor, que pode ocorrer por três mecanismos diferentes: condução, convecção e radiação térmica. Os dois primeiros estão associados à matéria diretamente e o último, às ondas eletromagnéticas, um fenômeno de modelagem bem mais complexa.
Condução
A transferência de energia térmica por condução ocorre pela interação entre partículas (matéria) de diferentes temperaturas. Esse processo é modelado pela lei de Fourier:
\(\Large \frac{dQ_x}{dt}= -k \cdot A \cdot \frac{dT}{dx}\), sendo:
- \(\frac{dQ_x}{dt}\) a taxa de transferência através da superfície normal à direção x
- k, a condutividade térmica (W.K/m)
- A, a área da superfície (m²)
- \(\frac{dT}{dx}\), o gradiente de temperatura na direção x
Caso a temperatura varie linearmente ao longo da direção especificada, a equação acima pode ser simplificada:
\(\Large \frac{dT}{dx}= \frac{(T_2 - T_1)}{L}\Rightarrow \frac{dQ_x}{dt}=-k \cdot A \cdot \left[ \frac{T_2 - T_1}{L}\right]\)
Em geral, bons condutores elétricos também apresentam altos valores de condutividade térmica:
Substância |
Condutividade térmica (W.K/m) |
| Alumínio | 237 |
| Cobre | 401 |
| Concreto | 1,4 |
| Madeira | 0,12 |
| Cobertor (fibra de vidro) | 0,046 |
| Água | 0,6 (à 300K) |
Radiação térmica
Neste caso, a energia é transferida por ondas eletromagnéticas (fótons). Diferente da transferência por condução, não há necessidade de matéria; portanto, ela pode ocorrer no vácuo.
A taxa de energia emitida por uma superfície de área A é dada pela lei de Stefan-Boltzmann:
\(\Large \frac{dQ_e}{dt} = \epsilon \sigma A T_s^4 \), sendo:
- \(\frac{dQ_e}{dt}\), a taxa de transferência de energia
- A, a área superficial
- \(\epsilon\), a emissividade superficial, propriedade da substância que determina a efetividade da radiação e absorção
- \(\sigma\), a constante de Stefan-Boltzmann \(\sigma = 5,6703.10^{-8} W/m^2 \cdot T^{4}\)
- \(T_s\), a temperatura superficial em Kelvins
Uma superfície com a emissividade máxima de 1,0 (limite máximo teórico) é chamada de radiador de corpo negro.
A taxa de absorção de energia por radiação térmica emitida pelo meio ambiente é muito semelhante à equação anterior:
\(\Large \frac{dQ_{abs}}{dt} = \epsilon \sigma A T_{ambiente}^4 \), sendo:
- \(\frac{dQ_{abs}}{dt}\), a taxa de transferência de energia absorvida pelo objeto do meio ambiente
- A, a área superficial que intercepta as ondas eletromagnéticas
- \(\epsilon\), a emissividade superficial, propriedade da substância que determina a efetividade da absorção e radiação. O mesmo valor da equação anterior.
- \(\sigma\), a constante de Stefan-Boltzmann \(\sigma = 5,6703.10^{-8} W/m^2 \cdot T^{4}\)
- \(T_s^4\), a temperatura superficial em Kelvins
Portanto, podemos concluir que a radiação emitida e absorvida do ambiente é proporcional à quarta potência da temperatura superficial e do meio ambiente, respectivamente, e que um bom irradiador também é um bom dissipador de energia térmica (pelo mecanismo de radiação térmica).
Convecção
Esse mecanismo de transferência de energia térmica ocorre quando um fluido de temperatura \(T_f\) entra em contato com uma superfície sólida \(T_b\). O fenômeno é modelado pela lei de Newton:
\(\Large \frac{dQ_c}{dt}= h A (T_b - T_f)\), sendo:
- A, a área superficial do sólido
- h, o coeficiente de transferência de calor (constante empírica)