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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Hítalo Daniel Soares Ribeiro - 2018007391 LABORATÓRIO 01 – TRANSFERÊNCIA DE CALOR DETERMINAÇÃO DA CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE METAIS (CONSTANTE DE PROPORCIONALIDADE) E VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DA LEI DE FOURIER Itajubá – MG 2020 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Hítalo Daniel Soares Ribeiro - 2018007391 LABORATÓRIO 01 – TRANSFERÊNCIA DE CALOR DETERMINAÇÃO DA CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE METAIS (CONSTANTE DE PROPORCIONALIDADE) E VERIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DA LEI DE FOURIER Relatório submetido ao Professor Doutor Sandro Metrevelle Marcondes de Lima e Silva como requisito parcial para aprovação na disciplina EME605P Transferência de Calor I do curso de graduação em Engenharia de Energia da Universidade Federal de Itajubá. Itajubá – MG 2020 3 RESUMO Palavras-chave: O processo de transferência de calor, ocorrer em todos os tipos de corpos, no entanto, uma parte desses corpos, chamados isoladores, dificulta a troca de calor entre si e o meio, de modo que a condução térmica seja praticamente nula. No entanto existe outra classe, chamada de condutores, que facilitam a troca de calor entre si e o ambiente. Esses corpos, quando possuem formas lineares, podem, ao conduzir calor, serem estudados e descritos através da equação de Fourier. O presente estudo visa apresentar as variáveis que influenciam nessa lei, e de forma prática, constatar sua eficácia. Palavras-Chaves: Calor, Condução, Lei de Fourier. 4 SUMÁRIO 1 – INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 7 1.1 – Princípio Da Condução Térmica E Lei De Fourier ............................................. 7 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................. 9 3 - OBJETIVOS ............................................................................................................. 10 4 - ESPECIFICAÇÕES DOS MATERIAIS UTILIZADOS .......................................... 11 5 – METODOLOGIA ..................................................................................................... 12 5 – RESULTADOS OBTIDOS ...................................................................................... 15 5.1 – Análise Dos Resultados ..................................................................................... 15 5.2 – Cálculo De Hot Face, Cold Face e Intermediários ............................................ 16 5.3 – Cálculo De Hot Face, Cold Face e Intermediários ............................................ 20 8 – CONCLUSÕES ........................................................................................................ 21 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 22 5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Resfriamento de um tubo de aquecimento, através de hastes metálicas. ........ 7 Figura 2 - Representação de condução ............................................................................. 8 Figura 3 - Representação do dispositivo de placa quentes para metais .......................... 12 Figura 4 - Bancada física do experimento ...................................................................... 13 Figura 5 - Interface inicial do software .......................................................................... 13 Figura 6 - Medições realizadas durante o experimento .................................................. 14 Figura 7- Regressão linear para a região fria .................................................................. 17 Figura 8 - Regressão linear para a região quente............................................................ 17 Figura 9 - Regressão linear entre a Hot e a Cold Face ................................................... 18 Figura 10 – Comportamento completo das temperaturas durante o regime permanente 19 6 LISTA DE FIGURAS Tabela 1 – 11ª medição realizada do experimento (dados obtidos) ............................... 15 Tabela 2 – 12ª medição realizada do experimento (dados obtidos) ............................... 15 Tabela 3 - Tabela de temperaturas completa .................................................................. 19 7 1 – INTRODUÇÃO Na física, o termo transferência de calor, também conhecida como transferência térmica, pode ser descrito como a transição de energia térmica de uma massa (corpo) mais quente para uma massa mais fria. Quando um corpo, seja ele um sólido ou um fluido, encontra-se a uma temperatura diferente do seu entorno ou de outro corpo, o fluxo de calor ou troca térmica, ocorre de maneira a se equilibrar a temperatura de ambos, conforme é descrito pela lei zero da termodinâmica. Desta maneira, um ponto a se destacar é o princípio da condução térmica e a lei de Fourier. 1.1 – Princípio Da Condução Térmica E Lei De Fourier É denominado como condução térmica o processo de troca de calor de uma região com temperatura elevada, para outra com temperatura mais baixa até o equilíbrio térmico entre ambas as partes. Isto é, se em um determinado ponto de um corpo com temperatura elevada, inserir-se um ponto de baixa temperatura, o material tenderá a trocar calor até um ponto de equilíbrio para aquela região do mesmo, e vice-versa. Esse processo pode ser verificado na figura a seguir (Figura 1). Figura 1 – Resfriamento de um tubo de aquecimento, através de hastes metálicas. Fonte: Wikipedia 1 Existem duas classes de materiais bem definidas que podem ser descritas como isolantes ou condutores térmicos. Assim como na eletricidade, os condutores térmicos são materiais que facilitam a “passagem” de calor através de seu corpo, fazendo com que a troca com o meio seja fácil. Na contramão disso, os isolantes térmicos diminuem o fluxo de calor através do seu meio, dessa forma impedindo que o calor entre ou saia do corpo. 1 Disponível em <https://pt.wikipedia.org/wiki/Condu%C3%A7%C3%A3o_t%C3%A9rmica> https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_t%C3%A9rmica https://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_termodin%C3%A2mico 8 Figura 2 - Representação de condução Fonte: Brasil Escola 2 Por este motivo, para que ocorra a transferência de calor por condução térmica, é necessário que exista um meio material para que o calor possa propagar-se, seja ele sólido líquido e até mesmo gasoso. Nesse cenário, destaca-se muito um cientista de extrema importância para os estudos da transferência de calor, Joseph Fourier (1768 – 1830). Este, por meio de seus experimentos, conseguiu comprovar que a temperatura distribuída em uma barra varia linearmente por toda sua extensão. Sendo assim, no decorrer deste relatório, será observado e analisado o funcionamento da Lei de Fourier e o princípio de condução térmica. 2 Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei-fourier.htm> 9 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Joseph Fourier, através de seus experimentos desenvolveu uma equação que rege em muitos aspectos a distribuição de temperatura de materiais condutores. “A lei de Fourier constitui uma lei empírica, isto é, estabelecida a partir da experiência e descreve a teoria da condutibilidade calorífica em regimes de temperaturas estacionárias e variáveis e resolve diversos problemas: parede, barra, esfera, entre outros. [...] A lei de Fourier permite quantificar a transmissão de calor entre os extremos da barra em regime permanente (estacionário), em função das dimensões da barra, das características do material de que ela é feita e ainda das temperaturasnos seus extremos”. (Portal São Francisco, 2016) A conhecida equação de Fourier pode ser observada a seguir. 𝑄𝑥 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇 𝐿 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇2 − 𝑇1 𝐿 Onde: k → constante de proporcionalidade (W/(m ºC)) A → Área do material (m²) L → Comprimento do material (m) T1 → Temperatura inicial da face do material (ºC) T2 → Temperatura final da face do material (ºC) Através dessa equação, é possível obter o fluxo unidimensional (Qx) de um corpo condutivo. Utilizando de tais conceitos, o presente relatório focará em aplicar de forma prática os conceitos estudados por Fourier, com a finalidade de comprova-los experimentalmente. 10 3 - OBJETIVOS Por finalidade, o presente estudo tem como objetivo principal determinar a condutividade térmica, k, (constante de proporcionalidade) de um corpo de prova metálico. 11 4 - ESPECIFICAÇÕES DOS MATERIAIS UTILIZADOS Para a realização do experimento, foram especificados alguns materiais que serviram como corpo de prova, além de instrumentos que realizaram o experimento e as medições dos parâmetros, são eles: Amostra aço inoxidável 25 mm; Amostras de latão para controle de temperatura; Unidade de serviço de transferência de calor HT10XC, compatível com o sistema operacional (Windows XP); Acessório de condução linear de calor compatível com computador HT11C. Banho ultratermostático controlador de temperatura, Quimis. 12 5 – METODOLOGIA Antes de se iniciar concretamente o experimento, faz-se necessário explicar como foi montada a estrutura do experimento. Por este motivo, o primeiro ponto a ser destacado é o experimento realizado, este se chama dispositivo de placa quente para metais (Figura 3). Este experimento, consiste em observar a condução de calor através de um corpo de prova conectado à duas superfícies de diferentes temperaturas. Figura 3 - Representação do dispositivo de placa quentes para metais Fonte: Roteiro do experimento A amostra de latão superior está conectada à unidade de serviço de transferência de calor HT10XC e aos termopares T1, T2 e T3. Essa amostra superior é, através do HT10XC, aquecida por meio de uma resistência e assim a mesma é posta em contato com a face superior da amostra de aço. A amostra de latão inferior, no entanto, está conectada ao banho ultratermostático e aos termopares T4, T5 e T6. Essa amostra, por meio do fluxo do líquido refrigerante que circula em seu interior (FW), é resfriada e conectada à face inferior da amostra de aço. A função dos termopares é justamente, como veremos à frente, para analisar a temperatura de cada amostra de latão, para que dessa maneira a lei de Fourier possa ser posta a prova. Assim, realizaram-se todas as conexões no início do laboratório, de maneira que a disposição física pode ser observada na figura abaixo (Figura 4). 13 Figura 4 - Bancada física do experimento Fonte: Material de apoio do professor da disciplina Após a montagem, o HT10XC foi ligado e; subsequente, iniciou-se o software de apoio à bancada HT11C para realizar as configurações do experimento. A mesma foi configurada de maneira que começasse ocorrer condutividade térmica na amostra superior. O software então, após aberto, apresentou uma interface (Figura 5), com algumas configurações a serem inseridas, dentre as quais, a principal a se destacar é a opção “Controle de aquecimento (HC)”, a qual teve um valor atribuído de 25, para o aquecimento da amostra. Já o banho controlador foi aferido com uma temperatura de 15º C Figura 5 - Interface inicial do software Fonte: Material de apoio do professor da disciplina Dessa maneira, a bancada começou a fornecer calor para a fonte quente da placa. Neste momento, devido à falta de circulação do banho resfriador e um contato direto, tanto a amostra superior, quanto a inferior foram aquecidas. Nesse momento, todos os termopares já estavam realizando medições. 14 O próximo passo foi colocar a amostra de aço inoxidável de Ø25 mm e 30 mm de comprimento, e a colocou entre as fontes quente e fria, como mostrado na figura 3. Em sequencia foi ligada a circulação do banho controlador, isto é, começou a circular líquido refrigerante, através da fonte fria do experimento. Isso foi realizado por dois motivos principais, primeiramente, pois a temperatura do fluído do banho estava próximo à de 15º, sendo assim, já era possível começar a aferir os termopares inferiores. O segundo motivo foi para que começasse a ocorrer o resfriamento da amostra de latão inferior (fonte fria), pois no início, apena a fonte quente estava exercendo influência no experimento, dessa forma aquecendo todas as amostras. Após o banho chegar à 15º C, novas medidas foram realizadas (figura 6), e verificou- se que a temperatura dos termopares ainda tinham variações, a cada medição. Isto significa que o processo ainda não havia chegado ao regime permanente, então as medidas não poderiam ser levadas em conta, até que o regime permanente ocorresse. Figura 6 - Medições realizadas durante o experimento Fonte: Material de apoio do professor da disciplina Esse processo levou bastante tempo, e durante todo esse processo novas medidas foram sendo retiradas para confirmar se o regime permanente já estava ocorrendo. Assim foram realizadas 12 medidas para confirmar este estado. 15 5 – RESULTADOS OBTIDOS O objetivo principal do experimento foi encontrar a “k” constante de proporcionalidade, para isso, o primeiro passo foi anotar os dados obtidos, em seguida preencher regiões necessárias e por fim aplicar a Lei de Fourier para obtê-la, como será descrito no decorrer desta seção. 5.1 – Análise Dos Resultados O estado de regime permanente foi constatado, após conferir que a diferença entre as medidas era igual a 0. Isto é, ao realizar a obtenção de dados das medidas 11 (Tabela 1) e 12 (tabela 2), observou-se que os valores dos termopares da face fria e da face quente, não apresentaram maiores variações. Tabela 1 – 11ª medição realizada do experimento (dados obtidos) Description Posição ao longo da barra [mm] Temperatura medida [°C] Thermocouple T1 15,0 34,1 Thermocouple T2 30,0 33,3 Thermocouple T3 45,0 32,8 Hot Face 52,5 - Intermediate 1 60,0 - Intermediate 2 75,0 - Cold Face 82,5 - Themocouple T6 90,0 17,8 Thermocouple T7 105,0 17,1 Thermocouple T8 120,0 16,9 Fonte: Material de apoio do professor da disciplina Tabela 2 – 12ª medição realizada do experimento (dados obtidos) Description Posição ao longo da barra [mm] Temperatura medida [°C] Thermocouple T1 15,0 34,2 Thermocouple T2 30,0 33,4 Thermocouple T3 45,0 32,8 Hot Face 52,5 - Intermediate 1 60,0 - Intermediate 2 75,0 - Cold Face 82,5 - Themocouple T6 90,0 17,9 Thermocouple T7 105,0 17,1 Thermocouple T8 120,0 16,9 Fonte: Material de apoio do professor da disciplina 16 Além desses valores obtidos de temperatura, alguns parâmetros devem ser destacados, pois serão usados durante o estudo da lei de Fourier. O principal dentre eles, é a potência dissipada pelo experimento que deu aproximadamente 3,5 W, além disso também é possível destacar a corrente e a tensão geradas pelo gerador de calor, que são 5,9 V e 0,6 A, respectivamente. Por se tratar de um experimento que não está completamente isolado, pode-se ocorrer pequenas perdas na resistência e na troca de calor do banho, o regime permanente ainda apresenta uma variação mínima entre os valores de medição, no entanto, essa variação é ínfima, ou seja, não estabilizará mais do que o verificado no atual momento do experimento. Por este motivo os cálculos foram baseados neste momento, considerando-o como regime permanente. Após a obtenção desses dados, deu-se por necessário completar a tabela, de modo a encontrar a temperatura de face quente e a temperatura de face fria, já que ambas estãoem contato direto com a amostra de aço. É através desses dois valores, que será possível obter-se a constante “k”. 5.2 – Cálculo De Hot Face, Cold Face e Intermediários Para que as temperaturas de Hot e Cold face fossem encontradas, foi necessário primeiramente, calcular a regressão linear dos valores encontrados (Figuras 7 e 8), mas pergunta que deve ser levada em consideração é: “Por que regressão linear e não média das medidas?” A resposta é mais simples do que parece, deve-se ao fato de que cada termopar está posicionado a uma distância diferente, espaçada em 15 mm, ou seja, os valores de temperatura estão variando em função de uma função linear, que é o comprimento da amostra. Como as face estão à frente dos termopares, seguindo essa ideia, seus valores poderiam ser descobertos por meio de uma regressão linear. Assim, utilizando os valores obtidos, obteve-se a regressão linear e a função representante de cada face. 17 Figura 7- Regressão linear para a região fria Fonte: Autoral E por meio da equação obtida, foi possível achar o valor de Cold Face: 𝑦𝑓 = −0,0303 ∗ 82,5 + 20,5 𝑦𝑓 = 18,0 º𝐶 O mesmo foi feito para a Hot Face: Figura 8 - Regressão linear para a região quente Fonte: Autoral 𝑦𝑞 = −0,0455 ∗ 52,5 + 34,83 y = -0,0303x + 20,5 16,8 17,0 17,2 17,4 17,6 17,8 18,0 85,0 95,0 105,0 115,0 125,0 135,0 Te m p e ra tu ra ( ºC ) Posição ao longo da barra (mm) COLD FACE Série1 Linear (Série1) y = -0,0455x + 34,83 32,6 32,8 33,0 33,2 33,4 33,6 33,8 34,0 34,2 34,4 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 Te m p e ra tu ra ( ºC ) Posição ao longo da barra (mm) HOT FACE Série1 Linear (Série1) 18 𝑦𝑞 = 32,4 º𝐶 Com esses valores obtidos, já seria possível realizar o calculo de “k”, no entanto, como foi necessário fazer uma regressão linear para cada região, e como recomendado durante a aula experimental, para evitar erros, e utilizando o princípio de Fourier, o qual afirma que o valor da constante é o mesmo para qualquer região do corpo que está realizando condução (amostra de aço), a melhor forma de evitar possíveis erros, é realizar a linearização entre as faces, achando temperaturas intermediárias (Figura 9). Figura 9 - Regressão linear entre a Hot e a Cold Face Fonte: Autoral Assim, calculou-se os valores intermediários 1 e 2 para verificar o comportamento completo da transferência de calor na amostra de aço. 𝑦𝑖1 = −0,4813 ∗ 60 + 57,71 𝑦𝑖1 = 28,8 º𝐶 𝑦𝑖2 = −0,4813 ∗ 75 + 57,71 𝑦𝑖2 = 21,6 º𝐶 Por fim, a tabela foi preenchida completamente (Tabela 3) e um gráfico do comportamento da temperatura no decorrer das amostras foi plotado. y = -0,4813x + 57,71 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 45,0 55,0 65,0 75,0 85,0 Te m p e ra tu ra ( ºC ) Posição ao longo da barra (mm) Gráfico de tempeturas intermediárias Intermediate 1 Linear (Intermediate 1) 19 Tabela 3 - Tabela de temperaturas completa Description Posição ao longo da barra [mm] Temperatura medida [°C] Thermocouple T1 15,0 34,2 Thermocouple T2 30,0 33,4 Thermocouple T3 45,0 32,8 Hot Face 52,5 32,4 Intermediate 1 60,0 28,8 Intermediate 2 75,0 21,6 Cold Face 82,5 18,0 Themocouple T6 90,0 17,9 Thermocouple T7 105,0 17,1 Thermocouple T8 120,0 16,9 Fonte: Autoral Figura 10 – Comportamento completo das temperaturas durante o regime permanente Fonte: Autoral Desta maneira, o comportamento do experimento geral, pôde ser observado anteriormente, onde os pontos pretos são as medidas dos termopares estão destacadas como pontos pretos, as temperaturas de contato com a amostra de aço estão destacadas com cores diferentes, sendo a de hot face o ponto vermelho, enquanto a de cold face é a 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 130,0 Te m p e ra tu ra ( ºC ) Posição ao longo da barra (mm) Comportamento da temperatura 20 azul e as amarelas são pontos intermediários durante o processo de condução da amostra de aço. 5.3 – Cálculo De Hot Face, Cold Face e Intermediários Ao realizar as etapas anteriores foi possível, finalmente, encontrar constante de proporcionalidade “k”, isso, pois a temperatura de entrada, de saída e as intermediárias estavam todas calculadas. Partindo desse ponto, então, foi necessário aplicar a lei de Fourier. Por via de comparação, serão realizados cálculos utilizando apenas as faces quente e fria, e depois utilizando as temperaturas intermediárias, para verificar se o experimento foi realizado com êxito. Primeiramente, é valido realizar o cálculo considerando apenas as temperaturas da face quente. Lembrando que as dimensões da amostra de aço são de Ø25 mm, e o calor dissipado é de 3,5 W aproximadamente e o comprimento da peça de 30 mm. 𝑄𝑥 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇2 − 𝑇1 𝐿 → 3,5 = 𝑘 ∗ 𝜋 ∗ (0,0125)2 ∗ 18,0 − 32,4 0,030 𝑘 = 3,5 0,2356 = 14,85 Agora, realizando o mesmo calculo, considerando o a troca entre a Hot Face e a temperatura intermediária T1, considerando L = 7,5 mm, obtém-se: 𝑄𝑥 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇2 − 𝑇1 𝐿 → 3,5 = 𝑘 ∗ 𝜋 ∗ (0,0125)2 ∗ 28,8 − 32,4 0,0075 𝑘 = 3,5 0,2356 = 14,85 Em seguida, realizando o mesmo calculo, considerando os valores intermediários T1 e T2, considerando L = 15 mm, obtém-se: 𝑄𝑥 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇2 − 𝑇1 𝐿 → 3,5 = 𝑘 ∗ 𝜋 ∗ (0,0125)2 ∗ 21,6 − 28,8 0,015 𝑘 = 3,5 0,2356 = 14,85 Por fim, realizando o mesmo calculo, considerando o valor intermediário e a Cold Face, considerando L = 7,5 mm, obtém-se: 𝑄𝑥 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇2 − 𝑇1 𝐿 → 3,5 = 𝑘 ∗ 𝜋 ∗ (0,0125)2 ∗ 18,0 − 21,6 0,0075 𝑘 = 3,5 0,2356 = 14,85 Como foi possível observar em todos os cálculos, o valor da constante foi o mesmo, isto é, a lei de Fourier estava correta para este tipo de experimento. 21 6 – CONCLUSÕES Por meio do experimento realizado, é possível concluir, que a aplicabilidade da Lei de Fourier é correta para este tipo de amostra, considerando que a mesma possuía forma bem definida, com aquecimento linear e num ambiente controlado. É importante ressaltar que, no experimento, o líquido utilizado para refrigeração foi água, pois, é de fácil acesso e manutenção. No entanto para fins experimentais, e muitas vezes industrialmente, é possível utilizar líquido refrigerante SAE 50. Este líquido é muito mais utilizado, devido ao fato de seus pontos de estados serem diferentes do da água, ou seja, não corre risco de criar cristais, em temperatura baixas, e nem evaporar em temperaturas altas. No entanto, em função de refrigeração, não ocorrerá muita diferença, pois a troca de calor do mesmo é próxima a da água. Este é um ponto a ser destacado, com o intuito de concluir, que é possível sim substituir a água do banho ultratermostático pelo líquido SAE 50. Por fim, como foi comprovada, a constante de proporcionalidade é a mesma através de toda a amostra de aço, onde ocorre a condução. Vale ressaltar que foram levados em considerações possíveis erros existentes, isso deve-se ao fato de fatores externos influenciarem no experimento, como o dia frio, perdas na troca de calor do líquido refrigerante ou na resistência de aquecimento, além disso, também é possível ressaltar, a aferição dos termopares que sempre possuem uma margem de erro. 22 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] SILVA, S. M. M. L., 2020, Roteiro experimental, UNIFEI. [2] FIGLIOLA, R. S. e BEASLEY, D. E., 2007, Teoria e Projeto para Medições Mecânicas, LTC – Livros Técnicos Científicos Editora S. A., 4a ed., Rio de Janeiro. Incropera, F. P, [3] DEWITT, P. D., BERGMAN, T. L. e LAVINE, A. S., 2008, Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6a ed., LTC - Livros Técnicos Científicos Editora S. A., Rio de Janeiro, Brasil. [4] DESCONHECIDO, 2016, Lei de Fourier, disponível em <https://www.portalsaofrancisco.com.br/fisica/lei-de-fourier>.
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