1 Introdução - Transferência de Calor

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Transferência de Calor
INTRODUÇÃO
PROF: JESÚS ALFONSO PUENTE ANGULO
SUMARIO
▪ Energia e leis da Termodinâmica 
▪ Lei de Fourier e Lei de Resfriamento de Newton 
ENERGIA E LEIS DA TERMODINÂMICA
Lei Zero (“equilíbrio de temperaturas” – permite
a medida de temperatura e o estabelecimento
de uma escala de temperatura)
Primeira Lei (“conservação de energia” –
energia se conserva)
Segunda Lei (“direção em que os processos
ocorrem e limites de conversão de uma forma
de energia em outra”)
ENERGIA E LEIS DA TERMODINÂMICA
(a) Equilíbrio térmico – garrafa na geladeira
Considere uma garrafa fora da geladeira à temperatura ambiente. Depois, a garrafa é 
colocada dentro da geladeira, como ilustrado. Claro que, inicialmente, Tg < Tf
Termodinâmica: Q=ΔU = mc ΔT - fornece o calor total
necessário a ser transferido do frasco para resfriá-lo baseado
na sua massa, diferença de temperaturas e calor específico
médio APENAS ISTO!
Transferência de calor: responde outras questões importantes,
tais como: quanto tempo (∆t ) levará para que o equilíbrio
térmico da garrafa com seu novo ambiente seja alcançado? É
possível reduzir (ou aumentar) esse tempo?
ENERGIA E LEIS DA TERMODINÂMICA
(b) Outro exemplo: operação de um ciclo de compressão a vapor 
TERMIDINÂMICA: Wc = qc – qe : não permite dimensionar os
equipamentos (tamanho e diâmetro das serpentinas do
condensador e do evaporador, por exemplo), apenas lida com as
formas de energia envolvidas e o desempenho do equipamento,
como o COP:
TRANSFERÊNCIA DE CALOR: permite dimensionar os
equipamentos térmicos de transferência de calor. Por exemplo,
responde às seguintes perguntas:
- Qual o tamanho do evaporador / condensador?
- Qual o diâmetro e o comprimento dos tubos?
- Como atingir maior / menor troca de calor?
- Outras questões semelhantes. 
Problema-chave da transferência de calor: O conhecimento do fluxo de calor.
• O conhecimento dos mecanismos de transferência de calor permite:
• Aumentar o fluxo de calor: projeto de condensadores, evaporadores, caldeiras, etc.;
• Diminuir o fluxo de calor: Evitar ou diminuir as perdas durante o “transporte” de frio ou calor
como, por exemplo, tubulações de vapor, tubulações de água “gelada” de circuitos de
refrigeração;
• Controle de temperatura: motores de combustão interna, pás de turbinas, aquecedores, etc.
ENERGIA E LEIS DA TERMODINÂMICA
Exemplos de aplicação da transferência de calor
ENERGIA E LEIS DA TERMODINÂMICA
ENERGIA E LEIS DA TERMODINÂMICA
Trocadores de calor
ENERGIA E LEIS DA TERMODINÂMICA
TRANSFERENCIA DE CALOR
•Sempre que houver diferença de temperatura, haverá
transmissão de calor;
• Calor é sempre transmitido da maior para a menor
temperatura;
• A diferença de temperatura é o potencial para transmissão
de calor.
TRANSFERENCIA DE CALOR
• Identifique outros potenciais físicos que possibilitem
outros tipos de transmissões
TRANSFERENCIA DE CALOR
Nomenclatura para o calor
• Neste curso adotaremos a seguinte nomenclatura:
✓ Q: energia térmica (J)
✓ q: taxa de transferência de calor (W)
✓ q’: taxa de transferência de calor por unidade de
comprimento (W/m)
✓ q’’: fluxo de calor, vetor que expressa a taxa de transferência
de calor por unidade de área (W/m2)
TRANSFERENCIA DE CALOR
Mecanismos de transferência de calor
• A transferência de calor ocorre de três formas, que são:
Condução Convecção Radiação térmica
TRANSFERENCIA DE CALOR
Condução
a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra
de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou
gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. Este
mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de
partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de
uma substância devido a interações entre elas
TRANSFERENCIA DE CALOR
A condução, de calor é regida pela lei de Fourier (1822)
A lei de Fourier foi desenvolvida a partir da observação dos fenômenos da natureza em
experimentos.
Imaginemos por exemplo, a transferência de calor através de uma barra de ferro com uma
das extremidades aquecidas e com a área lateral isolada termicamente, como mostra a
figura:
TRANSFERENCIA DE CALOR
A condução, de calor é regida pela lei de Fourier (1822)
Com base em experiências, variando a área da seção da barra, a
diferença de temperatura e a distância entre as extremidades,
chega-se a seguinte relação de proporcionalidade:
TRANSFERENCIA DE CALOR
Lei de Fourier: A quantidade de calor transferida por condução, na 
unidade de tempo, em um material, é igual ao produto das seguintes 
quantidades
𝑞𝑥 = −𝑘𝐴
𝑑𝑇
𝑑𝑥
dT/dx- razão de variação da
temperatura T com a distância, na
direção x do fluxo de calor (gradiente
térmico)
TRANSFERENCIA DE CALOR
Observação: Se as temperaturas forem invertidas, isto é, T1 > T2, conforme 
próximo esquema, a equação da condução também exige que o sinal de (-) seja usado 
(verifique!!) 
Lei de Fourier (1822)
Taxa de Transferência de Calor por condução (W)
Fluxo térmico ou Taxa de Transferência de Calor por 
unidade de área (W/m2)
𝑞𝑥 = −𝑘𝐴
𝑑𝑇
𝑑𝑥
𝑞𝑥 = −𝑘
𝑑𝑇
𝑑𝑥
TRANSFERENCIA DE CALOR
Convecção
A convecção pode ser definida como o processo pelo qual energia é
transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através
da ação combinada de : condução de calor, armazenamento de energia e
movimento de mistura. É importante principalmente como mecanismo de
transferência de energia entre uma superfície sólida e um fluido
TRANSFERENCIA DE CALOR
Convecção
TRANSFERENCIA DE CALOR
Convecção
Calor sensível
Lei de resfriamento de Newton 
(1701)
TRANSFERENCIA DE CALOR
A proporcionalidade α é dada pelo coeficiente de transferência de
calor por convecção, h, por vezes também chamado de coeficiente
de película. De forma que:
𝑞 = ℎ𝐴 𝑇𝑠 − 𝑇∞
𝑞′′ = ℎ 𝑇𝑠 − 𝑇∞
O problema central da convecção é a determinação do
valor de h que depende de muitos fatores, entre eles:
geometria de contato (área da superfície, sua
rugosidade e sua geometria), propriedades
termodinâmicas e de transportes do fluido,
temperaturas envolvidas, velocidades. Esses são alguns
dos fatores que interferem no seu valor.
TRANSFERENCIA DE CALOR
Radiação
É o processo pelo qual calor é transferido de uma superfície em alta temperatura
para um superfície em temperatura mais baixa quando tais superfícies estão
separados no espaço, ainda que exista vácuo entre elas. A radiação térmica é feita
sob a forma de ondas eletromagnéticas, ou fótons. Não necessita de meio físico
para se propagar.
TRANSFERENCIA DE CALOR
Radiação
A radiação térmica é regida pela lei de Stefan – Boltzmann. Sendo que
Stefan a obteve de forma empírica (1879) – e Boltzmann, de forma
teórica (1884).
Corpo negro – irradiador perfeito de radiação térmica
(para um corpo negro)
𝜎 → 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑆𝑡𝑒𝑓𝑎𝑛 − 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛 (5,669 × 10−8𝑊/𝑚2𝐾4)
TRANSFERENCIA DE CALOR
Radiação
𝜀 é a emissividade que é sempre ≤ 1
(para um corpo real ou corpo cinzento)
𝜎 → 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑆𝑡𝑒𝑓𝑎𝑛 − 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛 (5,669 × 10−8𝑊/𝑚2𝐾4)
𝑞 = 𝜀𝜎𝐴𝑇4
TRANSFERENCIA DE CALOR
Mecanismos combinados
TRANSFERENCIA DE CALOR
Na próxima aula
Condução de calor por condução
Obrigado!