InfoTec: A garrafa térmica

Garrafa Térmica

Uma garrafa térmica ou, simplificado, termo ou termos, é um recipiente portátil que tem como objetivo evitar a troca de calor entre o conteúdo que está em seu interior e o ambiente, mantendo sua temperatura temporariamente constante.

Foi inventada em 1892 pelo físico-químico escocês James Dewar.
A garrafa térmica é construída de forma a dificultar as três formas de transferência de calor: convecção, condução e radiação. Portanto, é constituída por uma ampola com duas paredes de vidro (por ser um mau condutor de calor) muito delgado, com a forma do recipiente; entre essas paredes, é formado um ar rarefeito, que se assemelha ao vácuo, o que serve para evitar a convecção e a condução. Essas paredes também são espelhadas tanto no lado de fora quanto no de dentro, por isso consegue retardar a irradiação. Esta ampola é protegida por um invólucro exterior, que pode ser de metal ou plástico, para proteger a ampola e facilitar a sua portabilidade. As ampolas também podem se apresentar confeccionadas em material sintético ou aço inoxidável.

Sir James Dewar

Dewar developed structural formulas for benzene (1867). He studied the specific heat of hydrogen and was the first person to produce hydrogen in liquid form (1898) and to solidify it (1899). He constructed a machine for producing liquid oxygen in quantity (1891). He invented the Dewar flask or thermos (1892) and co-invented cordite (1889), a smokeless gunpowder, with Sir Frederick Abel. His discovery (1905) that cooled charcoal can be used to help create high vacuums later proved useful in atomic physics. Dewar was knighted in 1904.

Convecção

é o movimento ascendente ou descendente de matéria em um fluido

Condução térmica ou difusão térmica (ou ainda condução ou difusão de calor) é a transferência de energia térmica entre átomos e/ou moléculas vizinhas em uma substância devido a um gradiente de temperatura

Garrafa Térmica de água

Como funciona?

As garrafas térmicas são recipientes que usamos em casa ou mesmo em qualquer outro lugar para mantermos algum conteúdo na temperatura desejada, seja ele quente ou frio. Esse tipo de recipiente impede a troca de calor entre o seu conteúdo e o meio ambiente.

James Dewar, por volta de 1890, desenvolveu um exemplar de garrafa térmica. Ele a usava para armazenar gases liquefeitos que precisam ser mantidos a temperaturas muito baixas. A garrafa térmica é muito utilizada na cozinha ou mesmo para transportar algo que você queira manter em uma certa temperatura.
Mas afinal, qual o segredo da garrafa térmica para que a temperatura do seu conteúdo não se iguale a do ambiente externo? Inicialmente, para entender o funcionamento da garrafa térmica, devemos entender que as paredes da garrafa não devem permitir a passagem de calor através delas. Também é importante conhecer os três processos de propagação de energia existentes. Sendo assim, a propagação de energia térmica acontece por três modos: condução, convecção e radiação.

Condução:

Inicialmente temos que ter em mente o que é calor. O calor é uma quantidade de energia associada ao movimento dos átomos. Um átomo, por sua vez, representa seu calor, dado por meio da sua velocidade. Em uma temperatura muito fria, com zero absoluto, não há movimento de átomos, sendo assim, não há calor. No entanto, em qualquer outra situação, existe uma temperatura, assim, há movimento de átomos e por este motivo eles se aquecem. É dito que o calor é transferido por condução quando um átomo tem contato com outro. Um exemplo bastante conhecido desse fenômeno é quando pegamos uma barra de metal e aquecemos uma das pontas. Ao fazer isso, notamos que o restante da barra também fica aquecida. Por isso, desde a época da escola, aprendemos que os melhores condutores de calor são os metais.

Radiação:

O efeito que acontece pelo movimento de átomos é conhecido como vibração, e através dele causa o fenômeno de emissão de radiação infravermelha.
A radiação infravermelha é uma forma de luz. Quem mais sente esse tipo de radiação é a nossa pele. Aproximadamente metade da energia solar que nos atinge é radiação infravermelha invisível, e o restante é visível como luz. Encontramos muitos exemplos de radiação infravermelha, como o calor de um aquecedor elétrico, o calor da lenha queimando, ou uma brasa ou mesmo o calor que fica nas paredes após a sua exposição solar.

Convecção:

Este fenômeno ocorre somente em líquidos e gases. Quando parte de um líquido ou mesmo um gás esquenta, ela tende a se elevar acima do restante da substância. Por exemplo, se você coloca uma xícara de chá bem quente em cima de uma mesa, o ar presente ao redor do líquido quente também será aquecido.

Agora que já conhecemos os três processos de propagação de energia térmica, ficará mais fácil entender o funcionamento de uma garrafa térmica.

As garrafas térmicas são formadas por um vaso de vidro com paredes duplas, com distância aproximada de um centímetro. Quando elas são fabricadas o ar é retirado na sua maioria, pois é impossível obter o vácuo total. Com esse processo a transferência de calor é bastante reduzida, tanto por condução como por convecção.
Para conseguir manter o conteúdo colocado em uma garrafa térmica, seja quente ou frio, existe um processo físico, teoricamente muito simples. A garrafa térmica tem uma ampola de vidro de paredes duplas, com espelhos na parte interna, existindo um espaço entre elas praticamente vazio.
As paredes espelhadas servem para refletir a radiação, e assim, impedir que ela se propague. No caso de líquidos quentes, o reflexo acontece do interior para o exterior do recipiente; ou de fora para dentro, no caso de líquidos frios. O espaço vazio existente é para dificultar a propagação de calor pelo contato da garrafa com a região ao seu redor. Deste modo a entrada ou a saída de calor praticamente não acontece. Por existir paredes espelhadas na garrafa térmica é necessário um grande cuidado para não ocorrer quedas. Portanto, caso haja uma queda da garrafa térmica, a ampola de espelho pode quebrar, mesmo com a proteção exterior, que no geral, é de plástico.
Neste caso, com a quebra dos espelhos, o espaço entre as paredes não ficará mais vazio, entrará ar e assim, não será mais possível reter o calor. A temperatura no interior da garrafa pode ser mantida por algumas horas. O sistema não funciona 100%. Após algum tempo, o equilíbrio térmico com o meio ambiente é inevitável.

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