Atividade 1 - Fenomenos de Transporte 2

Prévia do material em texto

Universidade Federal da Paraíba 
Disciplina: Fenômeno de Transporte II 
Professor: Genaro Z. Clericuzi 
Aluno (a): Úrsula Mª Alves Felizardo 
Matrícula: 20180161631 
 
1. Quais são os mecanismos físicos e as equações de taxa, associados à transferência de 
calor por condução, convecção e radiação? 
• A condução é entendida como a transferência de energia das partículas mais energéticas para 
as menos energéticas de uma substância como consequência das interações entre partículas. Na 
condução a energia cinética dos átomos e moléculas, ou seja, o calor, é transferida por colisões entre 
átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas para as temperaturas mais 
baixas. Na presença de um gradiente de temperatura, transferência de energia por condução deve 
ocorrer no sentido da temperatura decrescente. 
Considerando um gás no qual exista um gradiente de temperatura e admitindo que não haja 
movimento global, ou macroscópico. O gás pode ocupar o espaço entre duas superfícies que são 
mantidas a diferentes temperaturas. A temperatura em qualquer ponto é associada à energia das 
moléculas do gás na proximidade do ponto, essa energia está relacionada com o movimento de 
translação aleatório, assim como com os movimentos internos de rotação e de vibração das moléculas. 
A situação é muito semelhante nos líquidos, embora as moléculas estejam mais próximas e as 
interações moleculares sejam mais fortes e mais frequentes. De modo análogo, em um sólido, a 
condução pode ser atribuída à atividade atômica na forma de vibrações dos retículos. 
Para a condução térmica, a equação da taxa é conhecida como lei de Fourier, expressa da seguinte 
forma: 
𝑞𝑥 = −𝐾𝐴
𝑑𝑇
𝑑𝑥
 
• A transferência de calor por convecção ocorre com o contato entre um fluido em movimento 
e uma superfície, estando os dois a diferentes temperaturas. 
Considerando a interação no escoamento de um fluido sobre uma superfície aquecida, uma 
consequência é o desenvolvimento de uma região no fluido por meio da qual a sua velocidade varia 
entre zero, no contato com a superfície, e um valor finito u∞, associado ao escoamento. Essa região 
do fluido é conhecida por camada-limite hidrodinâmica ou de velocidade. O modo de transferência 
de calor por convecção é mantido pelo movimento molecular aleatório e pelo movimento global do 
fluido no interior da camada-limite. 
A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do 
escoamento do fluido. A convecção forçada ocorre quando o escoamento é causado por meios 
externos, tais como um ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos. Enquanto na convecção 
livre (ou natural), o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que são originadas a 
partir de diferenças de massas específicas causadas por variações de temperatura no fluido. 
Assim, descreve-se o modo de transferência de calor por convecção como a transferência de 
energia ocorrendo no interior de um fluido em razão dos efeitos combinados da condução e do 
escoamento global ou macroscópico do fluido. 
Para a transferência de calor por convecção, a equação da taxa de transferência é dada pela 
seguinte forma: 
𝑞 = ℎ𝐴(𝑇𝑠 − 𝑇∞) 
• A radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura 
diferente de zero. Independentemente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças 
nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que constituem a matéria. A energia do campo 
de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas (ou, alternativamente, fótons). Enquanto a 
transferência de energia por condução ou convecção requer a presença de um meio material, a 
radiação não necessita dele. Na realidade, a transferência por radiação ocorre mais eficientemente no 
vácuo. 
Para a radiação térmica, a equação da taxa líquida de transferência de calor é expressa da seguinte 
forma: 
𝑞𝑟𝑎𝑑 = 𝜀𝜎𝐴(𝑇𝑠
4 − 𝑇𝑣𝑖𝑧
4 ) 
 
2. Qual é a diferença entre um fluxo térmico e uma taxa de transferência de calor? Quais 
são suas unidades? 
O fluxo térmico qx
" é a taxa de transferência de calor na direção x por unidade de 
área perpendicular à direção da transferência e ele é proporcional ao gradiente de temperatura, dT/dx, 
nesta direção. A unidade do fluxo térmico é dada por W/m2, onde Watt (W), corresponde a Joule por 
segundo. 
A taxa de transferência de calor é o quociente da quantidade de calor que atravessa uma superfície 
durante um intervalo de tempo (fluxo de calor) pela duração desse intervalo. A unidade da taxa de 
transferência de calor é dada por Watt (W), ou Joule por segundo (J/s). 
 
3. Considere a superfície de um sólido que se encontra a uma temperatura elevada e está 
exposta a uma vizinhança mais fria. Por qual(is) modo(s) o calor é transferido da 
superfície se (1) ela estiver em contato perfeito com outro sólido, (2) ela estiver exposta 
ao escoamento de um fluido, (3) ela estiver no interior de uma câmara onde há vácuo? 
Na situação (1), como são dois sólidos em contato, e por isso, não há movimentação de suas 
respectivas moléculas, a transferência de calor será em maior parte por condução. 
Na situação (2), há um sólido exposto a um escoamento de um fluido, a transferência se dará em 
maior parte por convecção forçada, onde o corpo perderá calor para o fluido que está envolvendo-o. 
Na situação (3), como não há contato entre o sólido e sua vizinhança não haverá condução nem 
convecção, assim, o modo de transferência será por radiação, onde o corpo perderá ou receberá calor 
do meio. 
 
4. Qual é a diferença entre a aplicação da conservação de energia em um intervalo de 
tempo ou em um instante de tempo? 
Um intervalo de tempo é a diferença entre o tempo final (tf) e o inicial (ti), já um instante de tempo 
é o tempo marcado naquele momento específico em que se está analisando. 
A expressão para Conservação das Energias Térmica e Mecânica se aplica em um intervalo de 
tempo ∆t, no entanto, para satisfazer a primeira lei da termodinâmica (princípio da conservação de 
energia) que se aplica em cada instante de tempo t, pode-se formular a expressão da Conservação das 
Energias (balanço de energia) tomando como base taxas de energia, assim, em qualquer instante t, 
deve existir um balanço entre todas as taxas de energia. 
 
5. O que é acúmulo (armazenamento) de energia térmica? Como ele se diferencia da 
geração de energia térmica? Qual papel esses termos desempenham em um balanço de 
energia em uma superfície? 
O acúmulo de energia térmica é a quantidade de energia que o corpo armazena na forma de 
agitação das moléculas (temperatura), quando, na transferência de calor, essa energia é mais recebida 
do que fornecida para fora do corpo. 
A geração é definida pelo aparecimento de uma quantidade de energia pelo corpo, sem depender 
do balanço entre a quantidade de energia que entra e que sai do corpo. 
Esses termos possibilitam conhecer os parâmetros de transferência de energia na forma de calor 
com relação ao corpo que está sendo analisado, contribuindo assim para o processo de modelagem.