Física do ensino fundamental · Grades 1–9
34Calor e isolamento
Por que o escorregador de metal parece gelado e o banco de madeira ao lado dele não parece? Esse mistério nos persegue desde o primeiro ano deste livro. Hoje ele cai — junto com os segredos da garrafa térmica, da janela dupla e do pardal todo inflado no inverno. A chave é parar de perguntar como as coisas parecem e começar a seguir por onde o calor flui.
34.1 O calor está em trânsito
Definição 34.1 (Calor)
Calor é energia em trânsito de um corpo mais quente para um mais frio. A sopa passa calor para a colher, o aquecedor passa para a sala, a sua mão passa para uma bola de neve. O calor não é um material escondido dentro das coisas quentes — ele é um fluxo, e sempre tem um sentido.
Proposição 34.2 (O calor flui ladeira abaixo)
Sozinho, o calor sempre flui do corpo mais quente para o mais frio — nunca ao contrário. O fluxo corre enquanto as duas temperaturas forem diferentes e vai morrendo conforme elas se encontram: deixados juntos por tempo suficiente, vizinhos quente e frio acabam numa mesma temperatura.
Exemplo 34.3 (Lendo o sentido)
A colherinha no chá esquenta: o calor fluiu do chá para a colher. A limonada com gelo esfria — cuidado! Não entrou nada chamado “frio”: o calor fluiu da limonada para o gelo, derretendo-o. O frio não é um fluxo; é só o nome que damos ao lado perdedor. Todos os livros de física dizem “a bebida perde calor”, nunca “a bebida ganha frio”.
34.2 Pistas rápidas e pistas lentas
Definição 34.4 (Condutores e isolantes de calor)
Os materiais diferem muitíssimo na rapidez com que deixam o calor fluir por eles. Um condutor de calor é uma pista rápida — os metais acima de todos. Um isolante térmico é uma pista lenta: madeira, lã, plástico, penas — e o campeão, o ar parado, preso de modo que não possa rodopiar. (As palavras foram tomadas de propósito dos condutores e isolantes da eletricidade; as duas propriedades andam juntas com frequência, mas nem sempre.)
Exemplo 34.5 (O mistério do escorregador, resolvido)
O escorregador de metal e o banco de madeira passaram a noite na mesma temperatura gelada — o termômetro jurou isso faz tempo. Toque nos dois: a sua mão está mais quente que ambos, então o calor flui de você para cada um deles. Mas o metal é uma pista rápida — ele leva embora o seu calor num rompante, e é esse rompante que a gente sente como “gelado”. A madeira recebe o seu calor só num fio de água: mal fica fresca. A sua pele nunca esteve medindo temperatura — ela mede a velocidade da própria perda de calor. Caso encerrado, quatro anos depois.
Método 34.6 (A corrida do esfriamento)
Veja o isolamento vencer, com números:
- encha duas canecas iguais com água da torneira igualmente quente (peça a um adulto água morna para a mão, não fervendo);
- enrole uma das canecas com bastante cachecol de lã; deixe a outra sem nada;
- finque um termômetro em cada uma e anote as duas temperaturas numa tabela a cada cinco minutos, seis vezes;
- desenhe os dois registros como duas linhas num mesmo gráfico, temperatura contra tempo.
A linha da caneca sem nada despenca; a linha da caneca enrolada desce suavemente. Mesmo começo, mesma sala — a lã transformou a saída do calor numa pista lenta.
Observação 34.7 (O isolamento apenas retarda)
Olhe para onde as duas curvas estão indo: para os da sala. Cachecol nenhum, garrafa térmica nenhuma, parede de iglu nenhuma jamais impede o fluxo do calor ladeira abaixo — o isolamento só deixa a pista lenta mais lenta ainda. É também por isso que o casaco no boneco de neve (lembra dele?) atrasou o derretimento sem conseguir salvá-lo: o calor do verão continuou escorrendo para dentro.
34.3 A arte de prender o ar
Exemplo 34.8 (Engenharia de inverno)
Quase toda coisa quentinha que você tem é uma máquina de prender ar. A lã aquece você não pelas fibras em si, mas pelos incontáveis bolsões de ar entre elas; os edredons de pena, o fleece e o pardal inflado feito bolinha num fio congelado jogam todos a mesma carta. As casas entram na brincadeira: as janelas duplas aprisionam uma camada de ar entre dois vidros, e as paredes isoladas são recheadas com um enchimento fofo que guarda ar. O ar parado é a pista lenta campeã — o truque é mantê-lo parado.
Exemplo 34.9 (A garrafa térmica)
A garrafa térmica é a obra-prima do isolamento: uma garrafa dentro de outra, com o ar entre elas bombeado para fora até quase nada — e, onde quase não há material, o fluxo de calor quase não encontra pista (um truque que vale lembrar: é o mesmo vazio que silenciou a campainha no frasco). Acrescente paredes espelhadas para devolver o brilho do calor para dentro, e o chocolate quente encontra a tarde ainda quente — ou a limonada ainda gelada: a garrafa térmica não sabe nada de quente nem de frio, ela só fecha as pistas, nos dois sentidos.
Observação 34.10 (Manter o calor, dito direito)
Agora a velha pergunta do casaco se encerra de vez. Um casaco é ar preso em volta de um fabricante de calor — você. O seu corpo despeja calor para fora o dia inteiro; o casaco transforma esse jorro num fio de água, e você fica quentinho com a sua própria produção. No boneco de neve — sem fabricante de calor por dentro — o mesmo casaco só retarda o fio de água do verão entrando. O isolamento não tem preferidos: ele retarda o fluxo, em qualquer sentido que ele corra.
34.4 Exercícios
Exercício 34.1 ★
O que é calor, e em que sentido ele flui sozinho? Quando o fluxo para?
Solução
Solução de Exercício 34.1.
Calor é energia em trânsito de um corpo mais quente para um mais frio; sozinho, ele flui só ladeira abaixo, do quente para o frio, e para quando as duas temperaturas se encontram.
Exercício 34.2 ★
“Feche a porta, você está deixando o frio entrar!” Reescreva a frase da avó do jeito que um livro de física escreveria.
Exercício 34.3 ★
Separe em pistas rápidas e pistas lentas para o calor: uma panela de cobre; um cachecol de lã; uma colher de aço; ar parado; uma colher de pau; um edredom.
Solução
Solução de Exercício 34.3.
Pistas rápidas: a panela de cobre, a colher de aço. Pistas lentas: o cachecol de lã, o ar parado, a colher de pau, o edredom.
Exercício 34.4 ★
Por que as panelas têm fundo de metal mas cabo de plástico ou de madeira? Responda com as pistas.
Exercício 34.5 ★
Enfim, com as suas palavras: por que o metal parece mais frio que a madeira estando na mesma temperatura? O que a pele mede de verdade?
Solução
Solução de Exercício 34.5.
Os dois estão na mesma temperatura, mas o metal é uma pista rápida: ele leva embora num rompante o calor da sua mão mais quente, e o rompante é a sensação de “gelado”. A pele mede a velocidade da própria perda de calor, e não a temperatura.
Exercício 34.6 ★
Na corrida do esfriamento, por que as duas canecas precisam ser iguais e começar igualmente quentes? Qual diferença única a experiência está testando?
Solução
Solução de Exercício 34.6.
Uma corrida justa muda uma única coisa — o embrulho. Canecas iguais, mesmo calor de partida e a mesma sala garantem que só o cachecol explique qualquer diferença entre as duas curvas.
Exercício 34.7 ★
Leia o gráfico do esfriamento: que temperatura cada caneca marca, mais ou menos, depois de minutos? Para qual temperatura as duas curvas estão indo, e por quê?
Solução
Solução de Exercício 34.7.
Depois de minutos: a caneca enrolada marca cerca de , e a caneca sem nada, cerca de . As duas curvas vão em direção aos da sala: o fluxo corre até as temperaturas se encontrarem, e o isolamento só torna a viagem mais lenta.
Exercício 34.8 ★
Por que um pardal se infla feito bolinha num fio congelado? Diga três invenções humanas que jogam a mesma carta.
Solução
Solução de Exercício 34.8.
As penas infladas prendem um cobertor grosso de ar parado — a pista lenta campeã — em volta do corpo quente do passarinho. A mesma carta: roupas de lã, edredons de pena, janelas duplas (ou fleece, paredes isoladas).
Exercício 34.9 ★★
A mesma garrafa térmica mantém o chocolate quente em julho e a limonada gelada em janeiro. Explique como um único objeto dá conta dos dois serviços — o que a garrafa térmica faz de fato, e com o quê?
Solução
Solução de Exercício 34.9.
A garrafa térmica não fabrica calor nem frio: ela fecha as pistas do calor — o vazio entre as duas paredes dela, o espelhamento para devolver o brilho. No inverno, ela retarda a fuga do calor do chocolate; no verão, retarda a entrada do calor do ambiente. Um objeto só, nos dois sentidos, porque tudo o que ele administra é o fluxo.
Exercício 34.10 ★★
Uma sorveteira enrola os potes dela em cobertores grossos de lã num dia quente, e um freguês ri: “Lã serve para manter as coisas quentes!” Defenda a sorveteira com a Observação 34.10 — em que sentido o calor está tentando fluir, e o que a lã faz com ele?
Solução
Solução de Exercício 34.10.
Num dia quente, o calor tenta fluir do ar quente para dentro dos potes gelados. A lã transforma esse fluxo para dentro num fio de água — o mesmo retardo que ela faz em volta de um corpo quente. O isolamento não tem preferidos; quem entendeu isso foi a sorveteira, e não o freguês.
Exercício 34.11 ★★
Duas casas passam pelo mesmo inverno: uma com janelas simples, outra com janelas duplas. Explique com as pistas e o ar preso por que a casa de janelas duplas queima menos combustível — e por que, pela Observação 34.7, ela ainda precisa de algum aquecimento.
Solução
Solução de Exercício 34.11.
A janela dupla aprisiona uma camada de ar parado — uma pista lenta — entre os vidros, de modo que o calor da casa escorre em fio de água onde a janela simples o deixa jorrar. Menos calor escapando, menos combustível para repor. Mas o isolamento só retarda o fluxo ladeira abaixo, nunca o impede: algum calor sempre vaza na direção do inverno, e o aquecedor precisa continuar repondo.