Aula 6 - Transferencias de Calor

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Transferências de Calor
PROFº RICARDO SANTOS
2
Definições iniciais
Energia (uma definição):
“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.
(http://www.materiaprima.pro.br/estados/Estados.htm)
RELEVÂNCIA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR
A transferência de calor é fundamental para todos os ramos da engenharia. Assim como o engenheiro mecânico enfrenta problemas de refrigeração de motores, de ventilação, ar condicionado, etc., o engenheiro metalúrgico não pode dispensar a transferência de calor nos problemas relacionados aos processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos, ou no projeto de fornos, regeneradores, conversores, etc.
Como visto, a transferência de calor é importante para a maioria de problemas industriais e ambientais. Como exemplo de aplicação, consideremos a vital área de produção e conversão de energia :
na geração de eletricidade (hidráulica, fusão nuclear, fóssil, geotérmica, etc) existem numerosos problemas que envolvem condução, convecção e radiação e estão relacionados com o projeto de caldeiras, condensadores e turbinas.
existe também a necessidade de maximizar a transferência de calor e manter a integridade dos materiais em altas temperaturas
é necessário minimizar a descarga de calor no meio ambiente, evitando a poluição térmica através de torres de refrigeração e recirculação.
4
 Gás
 Forma indefinida;
 Arranjo totalmente desordenado;
 Volume indefinido;
 Partículas livres para se moverem.
Principais Estados da Matéria
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.
5
Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.
Temperatura: Noção intuitiva
T1
T2
T1 > T2
T
T
 contato
T1 > Teq > T2 
6
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.
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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. 
8
Convenção para a Troca de calor
calor recebido
calor retirado
Q > 0
Q < 0
9
Troca de Calor
Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio.
0
...
3
2
1
=
+
+
+
+
n
Q
Q
Q
Q
Em um sistema isolado, 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.
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 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.
11
O que ocorre com a temperatura de um corpo quando se transfere calor a ele??
A temperatura pode aumentar ou não.
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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)];
T = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC].
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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.
Calor específico e capacidade calorífica
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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
 
 
380
 
790
 
84
0
 
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
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Calor específico para gases
Calor sensível a pressão constante:
		 ∆H = Qp = m cp (Tfinal – Tinicial) 
cp é o calor específico do material a pressão constante;
∆H variação de entalpia do corpo (J, kcal etc.).
Calor sensível a volume constante:
		∆U = Qv = m cv (Tfinal – Tinicial)
cv é o calor específico do material a volume constante;
∆U variação de energia interna do corpo (J, kcal etc.).
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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
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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.
Mudança de fase
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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.
Como a pressão é constante:
Q = ∆H → L = h
 ∆H variação de entalpia da transformação física (J);
 h entalpia específica da transformação física (J/kg).
Cálculo da troca de calor latente
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Qual a velocidade de uma Troca de Calor?
Velocidade  Fluxo de calor
No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.
A
T1 > T2
Q
20
“Grandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos”. 
Temperatura (uma definição):
21
Processos de Transferência de Calor 
Condução
Convecção
Radiação térmica
Condução
Convecção
Radiação térmica
22
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.
23
Condução de Calor
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Segundo nível
Terceiro nível
Quarto nível
Quinto nível
24
Condução 
 A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.
Calor
Condução de calor ao longo de uma barra.
Condução de calor ao longo de gás confinado.
T1 > T2
25
Fluxo de Calor na Condução 
“Lei de Fourier”:
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)
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Condutividade Térmica de diversas substâncias
27
Condução - Aplicações e conseqüências
Conforto térmico corporal;
Seleção de materiais para empregos específicos na indústria (condutores e isolantes). 
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)
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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
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 Na convecção natural, ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de diferenças de densidade causadas por variaçãode temperatura do fluido. 
Convecção natural e forçada
Transporte natural de fluidos
Convecção natural
30
Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos. 
Convecção natural e forçada
Convecção forçada
Transporte forçado
 de fluidos
31
Fluxo de Calor na Convecção 
“Lei de Newton do Resfriamento”:
- h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)]
Área A
32
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 
33
Convecção - Aplicações e conseqüências
 Conforto ambiental;
 Refrigeração de circuitos elétricos.
34
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.
35
Radiação Térmica ou Irradiação 
36
Ondas eletromagnéticas
37
Transmissão de calor por Radiação
38
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).  
Modelos adotados na radiação térmica
39
Transmissão de calor por Radiação
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).
40
Fluxo de calor na Radiação
“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).
41
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:
Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente;
Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior, suposta mais fria.
42
Radiação Térmica - Aplicações
 Fonte alternativa de energia;
 Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infra-vermelho provenientes da terra.
43
Processos de Transferência de Calor
Trocador de Calor
Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações.
44
45
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46
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(corpo
 
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