Você já se perguntou por que, em um dia frio de inverno, sente uma clara sensação de frio ao se aproximar de uma grande janela, mesmo que o ambiente esteja bem aquecido?
A chamada sensação de frio radiante é muitas vezes interpretada como um retorno do frio proveniente de uma superfície. Esta percepção é uma ilusão sensorial, pois o frio não se propaga. Na realidade, o fenômeno baseia-se em uma troca energética mensurável envolvendo a radiação térmica. Quando o corpo humano está diante de uma superfície mais fria, perde energia na forma de radiação infravermelha.
N.B.:
Em física, o frio não se propaga. Não existe fluxo de frio. Apenas o calor, ou seja, a energia térmica, é transferido de um corpo a temperatura mais elevada para um corpo a temperatura mais baixa, por condução, convecção ou radiação. A sensação de frio corresponde a uma perda de energia do corpo, não à chegada de um agente frio.
Todo corpo cuja temperatura está acima do zero absoluto emite radiação eletromagnética. Para a pele humana, essa radiação está principalmente no infravermelho distante. Se a temperatura do ambiente for inferior à do corpo, o fluxo radiativo líquido é dirigido para o exterior, causando uma perda contínua de energia.
A potência radiada por um corpo é dada pela lei de Stefan-Boltzmann: \( P = \varepsilon \sigma S T^4 \). O parâmetro T é a temperatura absoluta da pele (em kelvins). Como está elevado à quarta potência, mesmo pequenas diferenças de temperatura entre o corpo e uma superfície fria resultam em uma perda de energia muito maior do que se poderia imaginar. Os outros parâmetros são:
- P: potência radiada (em watts, W)
- \(\varepsilon\): emissividade da pele (~0,97)
- \(\sigma\): constante de Stefan-Boltzmann, \(5,67 \times 10^{-8} \, \text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-4}\)
- S: área de pele exposta (em m²)
O fluxo radiativo líquido depende da diferença entre a temperatura da pele e a do ambiente. Por exemplo, diante de uma parede muito fria, o corpo pode perder várias centenas de watts instantaneamente nas áreas expostas, o que explica a intensa sensação de frio, mesmo que a temperatura corporal global caia muito lentamente graças ao metabolismo.
A sensação de frio é mais forte quando o corpo está exposto a superfícies com temperaturas diferentes. Uma parede ou janela pode ser materialmente homogênea, mas geralmente está mais fria do que o ar ambiente. Isso se explica pelo contato com o exterior e pela capacidade de armazenar ou liberar calor mais lentamente do que o ar.
Essas superfícies frias absorvem parte da radiação infravermelha emitida pelo corpo. Elas modificam a maneira como o calor do corpo escapa ao redor da pessoa. Em vez de a energia ser distribuída de maneira equilibrada em todas as direções, uma grande parte do calor é capturada por essas paredes frias. O corpo então sente esse desequilíbrio como um frio mais intenso vindo dessas superfícies.
Imagine seu corpo como uma lâmpada de calor colocada no centro de um cômodo. O calor que emite se propaga em todas as direções, mas as paredes frias absorvem mais essa energia. O fluxo de calor "seguirá" naturalmente essas superfícies, pois os gradientes térmicos são mais fortes onde está mais frio. É um pouco como se o calor do corpo fosse água em um terreno inclinado. As superfícies frias são como buracos mais profundos. Inversamente, nas direções de superfícies mais quentes ou próximas à sua temperatura, o corpo perde menos calor (o fluxo térmico é "mais lento").
Mesmo sem corrente de ar, esse desequilíbrio no fluxo térmico dá a sensação de que o frio vem principalmente das superfícies frias à sua frente, como a parede ou a janela.
A condução térmica foi formalizada no início do século XIX por Joseph Fourier (1768-1830). Ele estabeleceu as bases matemáticas da transferência de calor por contato direto entre materiais.
A radiação do corpo negro foi descrita por Max Planck (1858-1947) em 1900, abrindo caminho para uma compreensão quantitativa das trocas radiativas. Os trabalhos de Albert Einstein (1879-1955) reforçaram a interpretação estatística das transferências de energia entre a matéria e a radiação.
N.B.:
A temperatura do ar não é o único fator que influencia a sensação de conforto térmico. Mesmo que dois ambientes tenham a mesma temperatura, pode-se sentir um frio ou conforto muito diferentes dependendo de como o calor é distribuído ao redor do corpo. Isso é chamado de campo radiativo: o conjunto de superfícies e objetos que absorvem ou refletem calor em sua direção. Um desequilíbrio nesse campo, por exemplo, paredes ou janelas frias, pode amplificar a sensação de frio, mesmo sem corrente de ar.
| Mecanismo | Descrição física | Efeito no corpo | Referência |
|---|---|---|---|
| Radiação | Emissão infravermelha proporcional a \(T^4\), quantificada pela física dos corpos negros | Perda global de energia | Max Planck, 1900 e Albert Einstein (1905) |
| Condução | Transferência térmica por contato | Resfriamento localizado | Joseph Fourier, 1822 |
| Convecção | Transporte térmico por fluido | Efeito secundário sem corrente de ar | Isaac Newton, 1701 |
Fontes: NIST, Propriedades termofísicas, ISO 7730, Ergonomia dos ambientes térmicos.
A percepção do frio radiante explicada pela física 
Sprites e Raios Cósmicos: Os Relâmpagos Fantasmas da Atmosfera 
Princípio de emissão e absorção atômica 
O Laser Femtosegundo: Do Tempo Ultra-Curto à Potência Extrema 
O Mundo das Cores 
As cores do arco-íris 
A natureza da luz 
Lâmpada de plasma e conceito de campo 
O que é o Vantablack? 
Experiência de Michelson-Morley 
Cálculo de desvio para o vermelho ou redshift (z) 
Espetacular airglow na França 
Toda a luz do espectro eletromagnético 
Pilares solares: Miragens celestes e jogos de luz 
A Velocidade da Luz: Uma Constante Universal 
A incrível precisão do segundo 
Efeitos da aberração luminosa 
Por que as partículas elementares não têm massa? 
Auroras Polares: Luzes do Vento Solar 
Lua Azul ou Lua do Gelo: Compreender Esses Fenômenos Lunares 
Lentes Gravitacionais: Quando o Espaço-Tempo se Torna uma Miragem 
Ilusões de ótica: Armadilhas e mistérios da percepção visual 
Luz Viajante: Como um Fóton Sai do Sol para Alcançar a Terra? 
Bioluminescência de organismos vivos 
Luz laser 
Não vemos com os olhos, mas com o cérebro 
Diferenças entre calor e temperatura 
A luz zodiacal: Reflexão das poeiras interplanetárias 
Explicação do 8 do analema 
O arco anticrepuscular: A sombra da Terra 
Quantos fótons para aquecer uma xícara de café? 
Espectroscopia: Uma Chave para Analisar o Mundo Invisível 
A luz Cherenkov 
As luzes do Sol 
O que é uma onda? 
Equação de Planck e luz do corpo negro 
Conservação de energia