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TRANSFERÊNCIA DE CALOR CONCEITOS PRELIMINARES Disciplina: TRANSFERÊNCIA DE CALOR (TRANSCAL) 1 CURSO: Enga. Mecânica DEFINIÇÕES INICIAIS Energia: “Capacidade de realizar trabalho”. Formas de energia: - Cinética (movim. macroscópico, térmica etc) - Potencial (elétrica, gravitacional, elástica etc) Matéria: “Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço.” Principais estados da matéria: Sólido, Líquido e gasoso. () 2 PRINCIPAIS ESTADOS DA MATÉRIA 3 Gás • Forma indefinida; • Arranjo totalmente desordenado; • Volume indefinido; • Partículas livres para se moverem. Sólido • Forma rígida; • Arranjo compacto, ordenado; • Volume definido; • Movimento molecular restrito. Líquido • Forma indefinida; • Arranjo desordenado; • Volume definido; • Partículas movem-se umas entre as outras. ⎯⎯⎯ ⎯ ⎯⎯⎯ →⎯ sfriaRe Aquece ⎯⎯⎯ ⎯ ⎯⎯⎯ →⎯ sfriaRe Aquece 4 TEMPERATURA: NOÇÃO INTUITIVA Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico. T1 T2 T1 > T2 T T contato T1 > Teq > T2 CALOR E SUA PROPAGAÇÃO Calor (uma definição): “Calor é a energia térmica em trânsito, devido a uma diferença de temperatura entre os corpos”. Há transferência líquida de calor, espontaneamente, do corpo mais quente para o corpo mais frio. 5 6 UNIDADES DE MEDIDA DE CALOR caloria – cal Joule – J British thermal unit – Btu A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para se elevar de 14,5°C para 15,5°C uma quantidade de 1g de água. O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb de água de 63°F para 64°F. Joule - unidade adotada pelo SI para energia. 7 CONVENÇÃO PARA A TROCA DE CALOR calor recebido calor retirado Q > 0 Q < 0 8 TROCA DE CALOR Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio. 0...321 =++++ nQQQQ Em um sistema isolado termicamente, a quantidade total de calor trocado entre os corpos é nula, ou seja, o calor total recebido pelos corpos mais frios é igual ao calor total retirado dos corpos mais quentes. Termodinâmica: Estuda as interações (trocas de energia) entre um sistema e suas vizinhanças. Transferência de calor: Indica como ocorre e qual a velocidade com que o calor é transportado. 9 O QUE OCORRE COM A TEMPERATURA DE UM CORPO QUANDO SE TRANSFERE CALOR A ELE?? 10 Se a temperatura aumentar, o calor transferido chama-se CALOR SENSÌVEL Se a temperatura NÂO aumentar, o calor transferido chama-se CALOR LATENTE (o composto está mudando de fase) 11 CALOR SENSÍVEL Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico. Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura. Q = C DT = m c DT Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU etc]; C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC]; m = massa do corpo [g, kg]; c = calor específico da substância [J/(kg ºC)]; DT = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC]. CALOR ESPECÍFICO – É A QUANTIDADE DE CALOR NECESSÁRIA PARA QUE CADA GRAMA DE UMA SUBSTÂNCIA SOFRA UMA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA CORRESPONDENTE A 1°C. 12 H2O Barra de ferro Calores específicos (a 25ºC e 1 atm) [J/(kg ºC]: H2O = 4200; Gelo (0ºC) =2040 Etanol = 2400; Alumínio = 900; Cobre = 390; Latão = 380; Ferro = 450; Vidro = 840. 13 VALORES DE C (25ºC E 1 ATM) Calor Específico Calor Específico Molar Substância cal/(g.K) J/(kg.K) J/(mol.K) Sólidos Elementares Chumbo Tungstênio Prata Cobre Alumínio 0,0305 0,0321 0,0564 0,0923 0,215 128 134 236 386 900 26,5 24,8 25,5 24,5 24,4 Outros Sólidos Latão Granito Vidro Gelo (-10°C) 0,092 0,19 0,20 0,530 790 840 2.220 Líquidos Mercúrio Álcool etílico Água do mar Água doce 0,033 0,58 0,93 1,00 140 2.430 3.900 4.190 Fonte: Halliday 380 14 CALOR LATENTE Quando o calor trocado é utilizado pela substância para mudar de estado físico, sem variação de temperatura e sob pressão constante, ele é chamado de calor latente. Ex.: fornecimento de calor à água fervente. VAPORIZAÇÃO 15 MUDANÇA DE FASE O calor latente de mudança de estado pode ser: endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas pois a matéria precisa absorver calor. exotérmico (Q < 0): As transformações de liquefação, solidificação e sublimação inversa são exotérmicas, pois a matéria precisa liberar calor. CÁLCULO DA TROCA DE CALOR LATENTE 16 Q = m L - Q (J) quantidade de calor trocado; - L (J/kg) calor latente da transformação física; - m (kg) a massa que mudou de estado físico. ). QUAL A VELOCIDADE DE UMA TROCA DE CALOR? Velocidade Fluxo de calor t Q tempo de Intervalo Aárea uma atravessa que calor de Quantidade q D == • 17 No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt. A T1 > T2 Q TEMPERATURA (UMA DEFINIÇÃO): 18 “Grandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos”. PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Condução Convecção Radiação térmica 19 Condução Convecção Radiação térmica 20 CONDUÇÃO Fonte: www.terra.com.br/fisicanet Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto. Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar. Característico de meios estacionários. 21 Condução de Calor CONDUÇÃO A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio. 22 Calor Condução de calor ao longo de uma barra. Condução de calor ao longo de gás confinado. T1 > T2 FLUXO DE CALOR NA CONDUÇÃO “Lei de Fourier”: L TTA kq cond )( 21 −= • 23 k é a condutividade térmica [W/(m ºC)] k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC) k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 W/(m ºC) k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2 W/(m ºC) 24 Condutividade Térmica (exemplos) CONDUÇÃO - APLICAÇÕES E CONSEQÜÊNCIAS Conforto térmico corporal; Seleção de materiais para empregos específicos na indústria (condutores e isolantes). 25 Por que os iglus são feitos de gelo? k (gelo a 0ºC) = 1,88 W/(m ºC) cp (gelo a 0ºC) = 2040 J/(kg ºC) 26 CONVECÇÃO Transmissão através da agitação molecular e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio; Movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas; É o transporte de calor típico dos meios fluidos. Fonte: www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br 27 CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA Na convecção natural, ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de diferenças de densidade causadas por variação de temperatura do fluido. Transporte natural de fluidos Convecção natural 28 CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos. Convecção forçada Transporte forçado de fluidos FLUXO DE CALOR NA CONVECÇÃO “Lei de Newton do Resfriamento”: )TT(Ahq sconv • −= 29 - h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)] Área A 30 COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO - H Processo h [W/(m2 K)] Convecção natural Gases Líquidos 2 – 25 50 – 1.000 Convecção forçada Gases Líquidos 25 – 250 50 – 20.000 Convecção com mudança de fase Ebulição ou condensação 2.500 – 100.000 Fonte: Incropera CONVECÇÃO - APLICAÇÕES E CONSEQÜÊNCIAS 31 • Conforto ambiental; • Refrigeração de circuitos elétricos. 32 IRRADIAÇÃO OU RADIAÇÃO TÉRMICA - Toda a matéria que se encontra a uma temperatura acima do Zero Absoluto (0 K) irradia energia térmica. - Não necessita de meio material para ocorrer, pois a energia é transportada por meio de ondas eletromagnéticas. - É mais eficiente quando ocorre no vácuo. RADIAÇÃO TÉRMICA OU IRRADIAÇÃO 33 34 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS TRANSMISSÃO DE CALOR POR RADIAÇÃOitra QQQQ =++ 1=++ tra 35 de)(absorvida Q Q a i a= )aderefletivid( Q Q r i r= )vidadetransmissi( Q Q t i t= 36 REFLEXÃO • O refletor perfeito (espelho ideal), r = 1. ABSORÇÃO • Um corpo negro (absorvedor perfeito), a = 1. • Um corpo cinzento, a < 1. Transmissão • Um corpo transparente, t ≠ 0 (zero). • Um corpo opaco, t = 0 (zero). 1tra =++ Modelos para a Radiação Térmica TRANSMISSÃO DE CALOR POR RADIAÇÃO 37 Lei dos Intercâmbios: Todo bom absorvedor é um bom emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um mau emissor de radiação térmica. Corpo negro é também o emissor ideal de radiação térmica (radiador ideal)!!!! Corpos Escuros: bons absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: fuligem (a = = 0,94). Corpos claros e polidos: maus absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: prata polida (a = = 0,02). FLUXO DE CALOR NA RADIAÇÃO reais) (corpos negro) (corpo negro) (corpo 4rad 4 máxima rad T A q E T A q E = = = = • • 38 “Lei de Stefan-Boltzmann”: E – Poder emissivo [W/m2]; – emissividade (0 ≤ ≤ 1); σ – Constante de Stefan-Boltzmann [5,7 x 10-8 W/(m2 K4)]; T – Temperatura absoluta do corpo (K). FLUXO DE CALOR TRANSFERIDO POR RADIAÇÃO Para a troca de calor por radiação entre duas superfícies, uma dentro da outra, separadas por um gás que não interfere na transferência por radiação: ( )44 vizinhançaSuperfícierad TT A q −= • 39 Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente; Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior, suposta mais fria. RADIAÇÃO TÉRMICA - APLICAÇÕES 40 • Fonte alternativa de energia; • Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infra-vermelho provenientes da terra. http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.romaenergia.org/images/scuola/image023.gif&imgrefurl=http://www.romaenergia.org/didattica/2001/modulo2opA.asp&h=307&w=265&sz=44&hl=pt-BR&start=10&tbnid=40O8TYfMlM9PDM:&tbnh=117&tbnw=101&prev=/images%3Fq%3D%2527energia%2Bt%25C3%25A9rmica%2522%26svnum%3D10%26hl%3Dpt-BR%26lr%3Dlang_pt%26sa%3DG 41 Processos de Transferência de Calor Trocador de Calor Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações. 42 Transferência de Calor – A Garrafa Térmica RESISTÊNCIA TÉRMICA 43 sistema do térmicaaresistênci a é e térmicopotencial o é onde, R T R T q D D = Ah T TAhq D =D= 1 Ak L T L T Akq D = D = Condução Convecção MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ++=−+−+− =− =− =− AhAk L Ah qTTTTTT Ah q TT Ak Lq TT Ah q TT . 1 .. 1 . . )( . . )( . )( 21 433221 2 43 32 1 21 ( ) tR totalTq RRR TT AhAk L Ah TT q D = ++ − = ++ − = 321 41 . 2 1 .. 1 1 41 44 MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ( ) A.h 1 A.k L A.k L A.h 1 TT RRRR TT R T q e2 2 1 1 i 51 eisorefi 51 t total +++ − = +++ − = D = 45
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