Propagação de calor

A porta está fechada há horas numa sala a 22 °C. Você encosta a mão na maçaneta de metal e ela parece gelada; encosta na madeira, logo ao lado, e ela parece morna. Um termômetro encostado nas duas marcaria o mesmo número. No mesmo quarto, o aquecedor fica no chão e o ar-condicionado fica perto do teto, e ninguém inverte os dois. E, do lado de fora, o Sol esquenta o rosto depois de atravessar 150 milhões de quilômetros em que não há ar, água nem pedra para carregar energia alguma. Três cenas, três maneiras distintas de a energia térmica ir do mais quente para o mais frio.

Esta página é sobre esses três caminhos: condução, convecção e radiação. O primeiro trabalho é aprender a distingui-los por um critério que não falha (a energia passa por matéria parada, por matéria em movimento ou sem matéria nenhuma?); o segundo é dominar a única fórmula do assunto, a lei de Fourier para a condução, com sua tabela de condutividades; o terceiro é reconhecer os três mecanismos escondidos na garrafa térmica, no casaco de lã, na brisa da praia e no efeito estufa. O que é temperatura e o que é calor têm página própria, temperatura e calor; quanta energia um corpo precisa receber para esquentar é calorimetria; o que acontece quando ele muda de fase é mudanças de estado físico; o quanto cresce ao esquentar é dilatação térmica. Aqui, só o caminho que a energia percorre.

Três caminhos, um só sentido

Calor é energia em trânsito por diferença de temperatura, e o trânsito tem sempre o mesmo sentido: do corpo mais quente para o mais frio, até o equilíbrio térmico. O que muda de uma situação para outra é o veículo. Na condução, cada partícula repassa agitação à vizinha e permanece no lugar: o cabo de uma frigideira de ferro vai esquentando a partir da chapa sem que um átomo sequer do cabo se desloque. Na convecção, a matéria aquecida sai do lugar e carrega a energia junto: a água do fundo da panela sobe, a de cima desce, e a panela inteira acaba fervendo. Na radiação, o percurso pode ser vazio de matéria, porque a energia viaja como onda eletromagnética: é assim que a Terra recebe o calor do Sol.

Num objeto real os três costumam trabalhar juntos. Numa panela no fogão, a chama aquece o fundo por radiação e pelo contato com os gases quentes, o fundo de metal conduz para a água, e a água circula por convecção até ferver por igual. A prova gosta desse tipo de cenário: em 2012, a 2.ª etapa descreveu uma usina de helióstato, e os três mecanismos estavam lá, um em cada etapa: os espelhos concentram no receptor a luz do Sol (radiação); o sal fundido aquecido é bombeado por tubulações até um gerador de vapor (matéria em movimento: convecção); nas paredes do trocador, a energia passa do sal para a água através do metal (condução). O item que dizia que a usina empregava os três processos estava certo.

Condução: a energia passa de vizinho a vizinho

Um sólido é uma multidão de átomos presos por forças elétricas, cada um vibrando em torno de uma posição fixa. Encoste a ponta de uma barra na chama: os átomos daquela ponta passam a vibrar com mais amplitude, empurram os vizinhos, que empurram os seus vizinhos, e a agitação se propaga pela barra sem que átomo nenhum troque de lugar. Nos metais há um segundo veículo, muito mais rápido: os elétrons livres, os mesmos que conduzem a corrente elétrica. Eles se movem pelo metal inteiro, colidem com a rede, recolhem energia na região quente e a soltam na região fria. Por isso os bons condutores de eletricidade são, em geral, bons condutores de calor, e por isso o metal conduz dezenas ou centenas de vezes melhor que o vidro, a madeira ou o plástico, que só contam com a vibração da rede.

A grandeza que mede essa facilidade é a condutividade térmica $k$, em watt por metro por kelvin, W/(m·K). Vale comparar ordens de grandeza, porque é isso que decide o item:

Duas leituras. Primeiro, entre o cobre e o ar há um fator de 15 000: a mesma parede, se fosse de ar parado, deixaria passar quinze mil vezes menos calor que se fosse de cobre. Segundo, a maior parte dos isolantes práticos, lã, isopor, cortiça, penas, cobertor, é ar preso em bolsas pequenas demais para circular. O que isola não é a fibra: é o ar parado que ela aprisiona. E o vidro, que muita gente chama de isolante por “não parecer metal”, está mais perto do concreto do que da lã: conduz vinte vezes mais que ela. Essa confusão custou um item em 2011, como veremos na seção sobre o efeito estufa.

A lei de Fourier: quatro grandezas e uma fração

Quanto calor por segundo atravessa uma parede? A intuição acerta as quatro dependências. Passa mais calor por uma parede grande do que por uma pequena (área); passa mais quando a diferença de temperatura entre as faces é maior; passa mais num material de condutividade alta; e passa menos quanto mais espessa a parede. Joseph Fourier juntou tudo em 1822:

A fórmula tem uma leitura por grandeza. Dobrar a área dobra o fluxo. Dobrar a diferença de temperatura dobra o fluxo. Dobrar a espessura corta o fluxo pela metade. Trocar tijolo por lã de vidro divide o fluxo por vinte. E repare no que não está na fórmula: nem a massa da parede, nem o seu calor específico, nem a temperatura absoluta das faces, só a diferença. O calor específico diz quanto a parede esquenta ao receber energia; a condutividade diz quanto ela deixa passar. São perguntas diferentes, e a banca já as misturou de propósito.

Exemplo resolvido (concreto contra isopor). Compare dois fechamentos de 1 m² entre um quarto a 24 °C e a rua a 4 °C, logo $\Delta T = 20$ °C. O primeiro é uma parede de concreto de 20 cm, $k = 1{,}0$ W/(m·K): $\Phi = 1{,}0 \times 1 \times 20/0{,}20 = 100$ W. O segundo é uma placa de isopor de 5 cm, $k = 0{,}03$ W/(m·K): $\Phi = 0{,}03 \times 1 \times 20/0{,}05 = 12$ W. Com um quarto da espessura, a placa transmite pouco mais de um décimo do calor, porque o $k$ do isopor é 33 vezes menor que o do concreto ($33/4 \approx 8$, e $100/12 \approx 8$). Conferência pela leitura da fórmula: uma parede de concreto de 40 cm levaria a 50 W; 2 m² dela, a 200 W. E note o que o isopor faz e o que não faz: ele não gera frio nem calor; apenas reduz a quantidade de energia que atravessa por segundo.

Exemplo resolvido (o dissipador do fotoemissor, PAS 2 2023). Um dissipador de alumínio ($k = 250$ W/(m·K)) recebe calor de uma face quadrada de 5 mm × 5 mm a 25 °C e precisa levá-lo, através de uma espessura de 1,5 mm, até uma face que deve ficar abaixo de 10 °C. Área: $A = 5 \times 10^{-3} \times 5 \times 10^{-3} = 25 \times 10^{-6}$ m². Espessura: $L = 1{,}5 \times 10^{-3}$ m. $\Delta T = 15$ °C. $\Phi = 250 \times 25 \times 10^{-6} \times 15/(1{,}5 \times 10^{-3}) = 62{,}5$ W. O item afirmava que o dissipador precisaria garantir uma taxa superior a 62,5 W, e estava certo: 62,5 W é o fluxo exato quando a face fria está a 10 °C; para mantê-la abaixo de 10 °C, a diferença de temperatura tem de ser maior que 15 °C e o fluxo, maior que 62,5 W. A conta fechou redonda, sinal de que a unidade foi bem tratada (milímetro ao quadrado vira $10^{-6}$ m², não $10^{-3}$). O item seguinte dizia que, para aumentar a taxa, bastaria aumentar a espessura: errado, a espessura está no denominador.

Exemplo resolvido (a espessura do tanque de sal, PAS 2 2012, tipo B). Um tanque cilíndrico de raio 1,5 m e altura 2,0 m guarda sal fundido a 1 049 °F; a parte externa da parede está a 15 °C. Que espessura, em mm, a parede de uma liga com $k = 0{,}12$ W/(m·K) deve ter para que o fluxo pelas laterais não passe de 10 kW? Área lateral: $A = 2\pi r h = 2 \times 3{,}14 \times 1{,}5 \times 2{,}0 = 18{,}84$ m². Temperatura do sal em Celsius: $(1\,049 - 32)/1{,}8 = 565$ °C; $\Delta T = 565 - 15 = 550$ °C. Isolando a espessura na lei de Fourier: $L = kA\,\Delta T/\Phi = 0{,}12 \times 18{,}84 \times 550/10\,000 = 0{,}1243$ m $= 124$ mm. Foi a marcação oficial: 124. Repare que a conversão de °F para °C entrou de verdade na conta, e que “fluxo máximo de 10 kW” pede a espessura mínima: mais grossa, passa menos.

Quando o calor atravessa várias camadas em série (vidro, ar, vidro; reboco, tijolo, reboco), o mesmo fluxo passa por todas, e cada camada oferece uma resistência térmica $R = L/(kA)$, que se soma como resistores em série: $\Phi = \Delta T_{\text{total}}/(R_1 + R_2 + \dots)$. É a física da janela de vidro duplo. Um vidro de 4 mm tem, por metro quadrado, $R = 0{,}004/0{,}8 = 0{,}005$ m²·K/W. Uma lâmina de ar de 12 mm entre dois vidros, se o ar ficasse parado, teria $R = 0{,}012/0{,}026 = 0{,}46$ m²·K/W, noventa vezes mais que o vidro. Na prática a camada de ar circula um pouco e o ganho é menor, mas a lição fica: numa parede em camadas, quem manda é a camada de maior resistência, e ela é quase sempre a de ar (ou de gás nobre, ou de vácuo) e não a de vidro.

Por que o metal parece mais frio se está na mesma temperatura

Volte à maçaneta da abertura. Maçaneta e madeira estão há horas na mesma sala: mesma temperatura, 22 °C. A sua mão está a uns 35 °C. Ao tocar, há um fluxo de calor da mão para o objeto, e o que a pele sente não é a temperatura do objeto, é a taxa com que ele drena energia da pele. O metal, com $k$ centenas de vezes maior que o da madeira, retira calor depressa e a pele esfria de verdade nos primeiros segundos; a madeira retira devagar e a pele quase não muda. Os sensores da pele não são termômetros: o que eles registram é a velocidade com que a energia entra ou sai, e por isso dois objetos à mesma temperatura podem dar sensações opostas.

O mesmo raciocínio vale ao contrário. Num carro parado ao sol, o volante de plástico e a fivela metálica do cinto estão à mesma temperatura, uns 60 °C; a fivela queima e o volante só incomoda, porque o metal transfere energia à pele muito mais rápido. E numa sauna a 90 °C o ar não queima, porque o ar conduz mal; o banco de metal a 90 °C queimaria.

Um experimento clássico, que a banca usou em 2013, deixa isso visível: cinco bastões metálicos idênticos em forma e tamanho, cada um com uma esfera de gelo presa na ponta, aquecidos pela mesma chama na outra ponta. As esferas caem uma depois da outra. Se a geometria e a diferença de temperatura são as mesmas, a única coisa que pode diferir é $k$: os bastões são de metais diferentes. Quanto maior o $k$, maior o fluxo que chega à ponta fria e mais cedo o gelo termina de derreter; a ordem das quedas é, portanto, a ordem decrescente das condutividades, da esfera do melhor condutor à do pior. Um item que dizia que a última a cair estava no bastão de maior taxa de transmissão invertia a ordem: errado. E um terceiro item, que lia a fórmula ao contrário ($k = \Phi L/(A\,\Delta T)$, logo, com $\Phi$, $L$ e $A$ fixos, $k$ proporcional a $1/\Delta T$), estava certo.

Convecção: o fluido leva a energia consigo

Aqueça o fundo de uma panela de água. A água encostada no fundo esquenta por condução, dilata e fica menos densa que a água fria acima. Menos densa num fluido é sinônimo de empuxo maior que o peso: essa porção sobe, e água fria, mais densa, desce para ocupar o lugar e ser aquecida por sua vez. Forma-se uma corrente de convecção, um circuito fechado em que matéria quente sobe, esfria em cima, desce pelas bordas e volta ao fundo. É a mesma física da hidrostática: o que sobe é o que ficou menos denso que a vizinhança.

Daí duas regras de engenharia doméstica. O aquecedor fica embaixo: o ar que ele aquece sobe, espalha-se pelo teto, esfria, desce pelas paredes e volta; se estivesse no teto, o ar quente ficaria lá em cima e o chão continuaria frio. O ar-condicionado fica em cima: o ar frio que ele produz é mais denso e desce sozinho, varrendo a sala. Pelo mesmo motivo o congelador ficava na parte de cima das geladeiras antigas (o ar frio desce e resfria as prateleiras de baixo), o vapor sai por cima da panela e a fumaça da fogueira sobe.

A brisa marítima é convecção em escala de quilômetros. De dia, a areia esquenta muito mais depressa que a água (calor específico bem menor, e a energia solar fica concentrada numa camada fina). O ar sobre a terra aquece, dilata, sobe; o ar mais frio que estava sobre o mar escoa ao nível do solo para ocupar o lugar: o vento sopra do mar para a terra. À noite a areia esfria antes que a água e o circuito inverte, com a brisa terrestre soprando da terra para o mar. As correntes marítimas, os ventos alísios, o magma que sobe no manto da Terra e a granulação da superfície do Sol são o mesmo mecanismo em escalas maiores.

A convecção também explica por que uma cidade amanhece com o ar sujo em certas madrugadas de inverno. Normalmente o ar é mais quente perto do solo e esfria com a altitude, e por isso o ar da superfície sobe, levando poluentes e dispersando-os. Na inversão térmica, uma camada de ar frio fica presa junto ao solo, com ar mais quente por cima: o ar de baixo, mais denso, não tem para onde subir, a convecção para, e a fumaça fica retida na camada baixa. Um item da 3.ª etapa de 2024 afirmou o contrário, que a inversão ocorre quando as camadas baixas estão mais quentes e que isso aumenta a dispersão dos poluentes: duas inversões de sentido no mesmo item, gabarito E.

Radiação: energia que viaja sem meio

Aproxime a mão de uma lâmpada incandescente acesa, pelo lado, sem tocar. O calor chega na hora, e não veio por condução (o ar conduz mal) nem por convecção (o ar quente sobe, e a mão está ao lado). Veio como onda eletromagnética, a mesma família da luz visível, do rádio e dos raios X: energia que se propaga sem precisar de matéria e que, ao ser absorvida por um corpo, vira agitação térmica. Uma parte dessa radiação você vê (o filamento amarelo); a maior parte está no infravermelho, invisível ao olho e sensível na pele. É onda eletromagnética; aqui interessa o que ela transporta.

Todo corpo com temperatura acima do zero absoluto emite radiação térmica, o tempo todo, em todas as direções: você, a parede, o gelo. E todo corpo também absorve a radiação que chega dos vizinhos. O que se chama “esfriar por radiação” é emitir mais do que se recebe; o corpo mais quente sai perdendo nesse balanço, e é assim que o calor vai, mais uma vez, do quente para o frio, agora sem tocar em nada. No vácuo é o único mecanismo possível: um item de 2015 sobre um motor Stirling “em uma região de vácuo perfeito” dizia que a troca de energia com o exterior se daria por condução. Errado: sem partículas não há condução nem convecção; só radiação.

A cor e o acabamento da superfície decidem a segunda metade da história. A radiação que chega a um corpo é repartida em três parcelas que somam o total: refletida, absorvida e transmitida. Superfícies escuras e foscas absorvem a maior parte do que recebe (e, por uma simetria que Kirchhoff demonstrou, também emitem mais quando quentes); superfícies claras, polidas ou espelhadas refletem a maior parte e emitem pouco. A fração refletida chama-se albedo. É por isso que a placa fotovoltaica é escura (item certo de 2024: “devem ser escuras para aumentar a absorção da radiação solar, o que diminui a reflexão”), que telhados brancos combatem as ilhas de calor urbanas (item certo de 2022, que atribuía a esses telhados um albedo maior), que o carro preto esquenta mais ao sol e que o interior da garrafa térmica é espelhado. A física idealiza o caso-limite num objeto chamado corpo negro: uma superfície que não reflete nem transmite nada, absorvendo cem por cento do que incide sobre ela, e cuja emissão depende apenas da própria temperatura. Estrelas se comportam quase assim, e é por isso que a cor de uma estrela revela quão quente ela é; a curva de emissão do corpo negro para três temperaturas já foi impressa duas vezes na 3.ª etapa (2013 e 2021), sempre com a mesma pergunta: quanto maior a temperatura, menor o comprimento de onda do máximo. Certo, nas duas vezes.

Exemplo resolvido (ordens de grandeza da radiação). Quanto uma pessoa irradia? Pele a 33 °C (306 K) num quarto a 20 °C (293 K), área de uns 1,5 m² exposta, emissividade da pele próxima de 1. Emissão líquida por metro quadrado: $\sigma\,(T^4 - T_{\text{amb}}^4) = 5{,}67 \times 10^{-8} \times (306^4 - 293^4) = 5{,}67 \times 10^{-8} \times (8{,}77 - 7{,}37) \times 10^{9} \approx 79$ W/m². Vezes 1,5 m²: cerca de 120 W, a ordem de grandeza do metabolismo de uma pessoa em repouso. É por isso que uma sala cheia de gente esquenta e que uma câmera térmica enxerga pessoas no escuro. Segundo exemplo, da 2.ª etapa de 2012: a intensidade da radiação solar cai com o quadrado da distância, $I = P/(4\pi d^{2})$. Um planeta a $4R$ do Sol recebe $1/16$ da intensidade que a Terra recebe a $R$; para receber a mesma, a potência do Sol teria de ser $16P$. Terceiro: um filamento levado de 1 500 K a 3 000 K dobra a temperatura e passa a emitir $2^4 = 16$ vezes mais, com o pico se deslocando de $1{,}9$ µm (infravermelho) para $0{,}97$ µm, já na borda do visível: o filamento passa de vermelho-escuro a branco-amarelado.

A garrafa térmica: os três bloqueios num só objeto

A garrafa térmica é a aula inteira em corte. Ela não produz frio nem calor; só atrasa as três formas de troca entre o líquido e o ambiente.

• Vácuo entre as duas paredes da ampola: sem matéria, não há condução nem convecção. É o bloqueio mais importante.
• Paredes espelhadas voltadas para o vácuo: a radiação infravermelha que o líquido quente emite é refletida de volta, e a que vem de fora é refletida para fora. Espelho bloqueia radiação, não convecção; um item que atribua à superfície espelhada a função de impedir a convecção está errado.
• Tampa: fecha a boca da ampola e impede que o ar quente e o vapor escapem por cima, o caminho da convecção e da evaporação.
• Apoios de material isolante entre a ampola e a carcaça, o menor número e a menor área possíveis: cada ponto de contato é uma ponte de condução.

Ainda assim o café esfria, porque nenhum vácuo é perfeito, a tampa conduz um pouco e os apoios existem. A garrafa multiplica o tempo de troca; não o zera. O mesmo desenho, em escala industrial, é o dos tanques criogênicos de nitrogênio líquido e dos criostatos de laboratório, e a mesma lógica orienta o telescópio espacial James Webb, que trabalha à sombra de um escudo de cinco camadas espelhadas para bloquear a radiação do Sol.

Efeito estufa: transparente ao visível, opaco ao infravermelho

A repartição refletido/absorvido/transmitido não depende só do material: depende também do tipo de radiação. O vidro comum é quase transparente à luz visível e quase opaco ao infravermelho térmico (o de comprimento de onda em torno de 10 µm, que os corpos à temperatura ambiente emitem). Uma estufa de plantas usa isso: a luz do Sol atravessa o vidro e é absorvida pelo solo e pelas plantas, que esquentam e passam a emitir infravermelho; esse infravermelho não atravessa o vidro de volta com a mesma facilidade, é absorvido pelo vidro e parcialmente reemitido para dentro. Além disso, o vidro fecha a estufa e impede que o ar aquecido escape por convecção, o que, nas estufas reais, é uma parcela grande do efeito. O resultado é um interior mais quente que o exterior.

Foi exatamente aí que a prova de 2011 plantou a armadilha, num aquecedor solar feito de latas de alumínio enfileiradas numa caixa de metal pintada de preto e vedada com vidro: “é adequado porque os corpos escuros absorvem a maior parte da radiação neles incidente, e o vidro, por ser bom isolante térmico, evita perdas de calor para o meio externo”. O trecho sobre os corpos escuros está correto; o que derruba o item é a justificativa dada para o vidro. Vidro não é bom isolante térmico ($k = 0{,}8$ W/(m·K), vinte vezes o da lã). O papel que ele cumpre no aquecedor é outro, e triplo: é transparente à luz que chega, fecha a caixa de modo que o ar aquecido não escape, e absorve parte do infravermelho que as latas quentes emitem, devolvendo uma fração para dentro. Explicação errada, item errado.

A atmosfera faz com a Terra o que o vidro faz com a estufa, com uma diferença importante: na atmosfera não há “tampa” para a convecção, e o que retém o infravermelho são gases específicos. O nitrogênio e o oxigênio, que são 99% do ar, são transparentes ao infravermelho térmico. O vapor d’água, o dióxido de carbono, o metano e o óxido nitroso, presentes em frações pequenas, o absorvem e o reemitem em todas as direções, metade para baixo. O balanço muda: a superfície recebe a luz do Sol e o infravermelho que a atmosfera devolve, e se estabiliza numa temperatura mais alta. Sem atmosfera, a Terra, com o albedo atual de cerca de 0,30, teria temperatura média em torno de −18 °C (255 K); a média real é de cerca de +15 °C (288 K). Os 33 °C de diferença são o efeito estufa natural, e sem ele não haveria água líquida nem vida como a conhecemos.

Isolar é atrasar, não aquecer

“O casaco esquenta” é uma frase errada que a prova adora. O casaco não é fonte de calor: ele reduz a perda de calor que o próprio corpo produz, uns 100 W em repouso. A lã, as penas, o velo sintético, o isopor e o cobertor funcionam todos do mesmo jeito: aprisionam ar em bolsas minúsculas. O ar tem $k = 0{,}026$ W/(m·K), um dos menores que existem, mas só isola se ficar parado; livre, ele circula e leva o calor por convecção. A fibra existe para impedir a circulação. Por isso um casaco molhado não isola (a água, com $k$ vinte e três vezes maior, substitui o ar nas bolsas), por isso várias camadas finas aquecem mais que uma grossa (mais interfaces com ar parado) e por isso o edredom de penas, quase todo ar, é tão eficiente.

Como ler tabelas, setas e gráficos de fluxo

Os itens de transmissão de calor raramente pedem conta longa; pedem leitura. Um roteiro em cinco passos:

1. Nomeie o mecanismo pelo critério (matéria parada, matéria em movimento, onda). Quando o enunciado atribui a um mecanismo a descrição que pertence a outro (“se for por convecção, a transferência seria por radiação eletromagnética”, 2023), o julgamento leva dez segundos: errado.
2. Cheque o sentido das setas: calor vai do quente para o frio. Numa figura com setas de fluxo, a origem é a face de maior temperatura. Numa corrente de convecção, a seta para cima está do lado aquecido.
3. Localize as quatro grandezas da lei de Fourier e veja qual o item está mexendo: área e $\Delta T$ no numerador (aumentam o fluxo), espessura no denominador (diminui), $k$ no numerador (material). Se o item cita massa, calor específico ou temperatura absoluta, desconfie: não são grandezas da fórmula.
4. Numa tabela de $k$, compare ordens de grandeza, não decimais: metal (centenas) ≫ pedra e vidro (unidade) ≫ isolantes (centésimos). Um item que chame vidro de bom isolante, ou que ponha o aço inox perto do cobre, está errado.
5. Num gráfico $T \times x$ em regime estacionário, a reta indica condução uniforme; a inclinação é o gradiente $\Delta T/L$, e, para o mesmo fluxo, a camada de menor $k$ tem inclinação maior (cai mais temperatura em menos espessura). Num gráfico de emissão de corpo negro, a curva de maior temperatura é a mais alta e a que tem o pico mais à esquerda (menor comprimento de onda).

E o item de limiar (“taxa superior a 62,5 W”): faça a conta, compare com o número do item e leia o “superior/inferior” com atenção ao contexto. Em 2023, a conta deu exatamente 62,5 W e o gabarito foi C porque a face fria precisava ficar abaixo de 10 °C, o que exige fluxo maior. A banca não escolhe o número do limiar por acaso.

Como a banca cobra este assunto

Transmissão de calor está na 2.ª etapa desde 2007 e é, com a calorimetria, o assunto mais constante do capítulo de termologia: 2007 (itens 12 e 37), 2011 (94), 2012 (60 e 65), 2013 (103 a 105), 2015 (90), 2016 (99, sensação térmica), 2018 (76), 2022 (59), 2023 (103 a 105) e 2024 (48 e 53). O formato dominante é o tipo A conceitual, decidido por um verbo: absorver ou refletir, conduzir ou irradiar, matéria parada ou em movimento. A conta, quando vem, é a lei de Fourier com unidades em milímetro (2023) ou uma conversão de °F (2012, tipo B, resposta 124). Nas outras etapas o assunto aparece cruzado com outras disciplinas: na 1.ª, o ar quente que sobe (2021) e o CO₂ que retém infravermelho (2025); na 3.ª, a curva do corpo negro e a lei de Wien (2013 e 2021) e a inversão térmica (2024). O texto-base é quase sempre um pretexto (uma obra de arte, uma usina, uma música, uma fibra óptica); o item é a física.

Os erros que a prova planta

• “O metal é mais frio que a madeira.” Estão à mesma temperatura; o metal drena calor da mão mais depressa porque tem $k$ maior. Sensação térmica é fluxo, não temperatura. E a causa é a condutividade, não a capacidade térmica (2016).
• “Para aumentar a condução, aumente a espessura.” A espessura está no denominador: engrossar diminui o fluxo (2023).
• “O fluxo depende do calor específico do material.” Depende de $k$, $A$, $\Delta T$ e $L$. Calor específico é outra pergunta (2007).
• “A transmissão independe da diferença de temperatura.” $\Delta T$ é o motor: sem diferença, sem fluxo (2018).
• “No vácuo, a troca é por condução.” No vácuo só há radiação (2015).
• “Convecção é radiação eletromagnética”, ou qualquer troca de rótulos. Na convecção há fluido se deslocando; na radiação pode não haver matéria nenhuma no caminho (2023).
• “Convecção ocorre em sólidos.” Não: as partículas de um sólido não circulam.
• “O ar quente sobe porque a gravidade aponta para cima.” A gravidade aponta para baixo; o ar frio, mais denso, desce e empurra o quente para cima (2021, 1.ª etapa).
• “Na inversão térmica as camadas baixas estão mais quentes e os poluentes se dispersam mais.” É o contrário duas vezes: camada fria embaixo, convecção travada, poluentes retidos (2024, 3.ª etapa).
• “Vidro é bom isolante térmico.” $k = 0{,}8$ W/(m·K), vinte vezes o da lã. O vidro da estufa funciona por deixar passar o visível, reter o infravermelho e barrar a convecção (2011).
• “O CO₂ reflete a radiação.” Absorve e reemite. Refletir é outro fenômeno (2024). E o vapor d’água também é gás de efeito estufa (2025).
• “Efeito estufa é o problema”; o problema é a intensificação. O efeito natural mantém a Terra 33 °C mais quente e é condição da vida (2021, 1.ª etapa: o derretimento das geleiras é acentuado pela intensificação, item certo).
• “O casaco esquenta” / “o frio entra”. O casaco reduz a saída do calor do corpo; o frio não entra, o calor sai.
• “A superfície espelhada da garrafa térmica impede a convecção.” Espelho bloqueia radiação; quem bloqueia convecção é o vácuo e a tampa.
• “Corpo mais quente emite só em comprimentos de onda menores.” A curva inteira sobe quando $T$ sobe, em cada comprimento de onda ($T^4$ no total); o que migra para as ondas curtas é apenas a posição do máximo (Wien).

O essencial em meia página

• Critério: condução = energia passa por matéria parada (sólidos; metais pelos elétrons livres); convecção = matéria se move (só fluidos; quente sobe porque fica menos denso); radiação = onda eletromagnética, sem meio (única no vácuo). Sentido sempre do quente para o frio.
• Lei de Fourier: $\Phi = kA\,\Delta T/L$ em watts, regime estacionário, perfil $T \times x$ linear. Área e $\Delta T$ multiplicam; espessura divide; $k$ é do material. Não entram massa, calor específico nem temperatura absoluta. Camadas em série: $R = L/(kA)$ somam; a camada de ar manda.
• Tabela de $k$ (W/(m·K)): cobre 400 · alumínio 240 · aço 50 · inox 15 · gelo 2,2 · concreto 1 · vidro 0,8 · tijolo 0,7 · água 0,6 · madeira 0,15 · lã 0,04 · isopor 0,03 · ar parado 0,026 · vácuo 0. Cobre/ar ≈ 15 000; vidro/lã = 20.
• Contas da banca: parede de concreto 20 cm, 1 m², $\Delta T$ 20 → 100 W; isopor 5 cm → 12 W. Fotoemissor 2023: $250 \times 25 \times 10^{-6} \times 15/1{,}5 \times 10^{-3} = 62{,}5$ W (C, “superior a”). Tanque 2012: $L = 0{,}12 \times 18{,}84 \times 550/10\,000 = 124$ mm.
• Sensação térmica é fluxo: metal e madeira à mesma temperatura; o metal parece frio porque drena calor mais rápido ($k$), não por capacidade térmica (2016/99 E). Bastões 2013: primeira esfera a cair = maior $k$.
• Convecção: aquecedor embaixo, ar-condicionado em cima, congelador em cima; brisa marítima do mar para a terra de dia (areia esquenta antes); gravidade não inverte (2021/30 E); inversão térmica = camada fria embaixo, sem convecção, poluição retida (2024/44 E); vento e ventilador = convecção forçada; não existe em sólidos nem no vácuo.
• Radiação: todo corpo emite; $P = \sigma\varepsilon AT^4$ (dobrar $T$ → 16×); Wien $\lambda_{\max}T = 2{,}9 \times 10^{-3}$ m·K (Sol 500 nm; corpo humano 9,4 µm); escuro/fosco absorve e emite mais, claro/espelhado reflete (albedo); placa solar escura (2024/48 C), telhado branco (2022/59 C); intensidade $\propto 1/d^2$ (2012/83: $4R$ → $16P$); pessoa irradia ~100 W; vácuo → só radiação (2015/90 E).
• Garrafa térmica: vácuo bloqueia condução e convecção; espelho bloqueia radiação; tampa bloqueia convecção e evaporação; apoios isolantes. Atrasa, não zera.
• Efeito estufa: vidro e atmosfera transparentes ao visível, opacos ao infravermelho térmico (~10 µm); CO₂, vapor d’água, metano absorvem e reemitem (não refletem: 2024/53 E; vapor é gás estufa: 2025/52 E); N₂ e O₂ não. Natural: −18 °C → +15 °C (+33 °C). Intensificação: 280 → 420+ ppm de CO₂. Vidro não é isolante (2011/94 E). Ozônio é outro assunto.
• Isolamento: isolante = ar parado aprisionado (lã, penas, isopor, cobertor); casaco não esquenta, reduz a perda; molhado não isola; camadas; vidro duplo; frio não entra, calor sai.
• Leitura: nomeie o mecanismo, cheque o sentido das setas, localize as quatro grandezas, compare ordens de grandeza de $k$, leia inclinação em $T \times x$ e posição do pico na curva de corpo negro; no limiar, faça a conta e leia o “superior/inferior” no contexto.
• Vizinhos: temperatura, equilíbrio e escalas em temperatura e calor; $Q = mc\,\Delta T$ em calorimetria; calor latente e evaporação em mudanças de estado físico; densidade e empuxo em hidrostática; espectro e infravermelho em ondas eletromagnéticas; o tamanho que cresce em dilatação térmica.