Aula 4 - Convecção

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Professor: Danilo Vieira
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Convecção
A convecção térmica é um processo de transmissão de calor em que 
a energia térmica é propagada mediante o transporte de matéria, 
havendo, portanto, deslocamento de partículas; logo, a convecção é 
um fenômeno que só se processa em fluidos, ou seja, em líquidos ou 
gases. 
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Lei De Newton Do Resfriamento 
A equação básica para o cálculo da convecção é : 
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𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇 = ℎ ∙ 𝐴 ∙ (𝑇𝑆 − 𝑇∞) =
∆𝑇
𝑅𝑐
𝒒𝒄 = taxa de calor transferido por convecção (W); 
A = área de transferência de calor (m²); 
ΔT = diferença de temperatura entre a superfície (𝑇𝑆) e o fluido em um local 
longe da superfície (𝑇∞ ) (℃ ou K); 
h = coeficiente de transferência de calor por convecção (𝑊/𝑚2℃) ou (𝑊/𝑚2𝐾) ;
𝑹𝒄 - 1/ℎ𝐴 - resistência térmica para a transmissão de calor por convecção (K/W) 
ou (℃/W) 
Perfil de temperatura 
no fluido próximo ao 
corpo 
Lei De Newton Do Resfriamento 
O fluxo térmico por convecção (W/m²) é dado por
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𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣
" = ℎ ∙ ∆𝑇 = ℎ ∙ (𝑇𝑆 − 𝑇∞)
Lei De Newton Do Resfriamento 
Valores típicos do coeficiente de transferência de 
calor por convecção:
Processo 𝒉 (𝑾/𝒎𝟐𝑲)
Convecção livre
Gases 2-25
Líquidos 50-1.000
Convecção forçada
Gases 25-250
Líquidos 100-20.000
Questão 1
Um chip quadrado, com lado w = 5 mm, opera em condições isotérmicas. 
O chip é posicionado em um substrato de modo que suas superfícies 
laterais e inferior estão isoladas termicamente, enquanto sua superfície 
superior encontra-se exposta ao escoamento de um fluido a 𝑇∞ =
15 °𝐶. A partir de considerações de confiabilidade, a temperatura do 
chip não pode exceder a 𝑇𝑆 = 85 °𝐶. Calcule a potência máxima 
permitida para o chip se o fluido for: 
a) AR com h = 200 W/(m².K); 
b) ÁGUA com h = 3000 W/(m².K) 
Questão 2
O invólucro de um transistor de potência, que tem 
comprimento L=10 mm e diâmetro D= 12 mm, é resfriado por 
uma corrente de ar de temperatura 𝑇∞ = 25℃, conforme 
mostrado na figura.
Sob condições para as quais o ar mantém um coeficiente de 
convecção médio ℎ = 100𝑊/𝑚2 ∙ 𝐾 na superfície do 
invólucro, qual é a máxima dissipação de potência 𝑃𝑒 perdida 
para que a temperatura da superfície 𝑇𝑆 não exceda 85℃?
Questão 3
Um aquecedor elétrico de cartucho possuía a forma de um cilindro de
comprimento L = 200 mm e diâmetro externo D = 20 mm. Em condições
normais de operação o aquecedor dissipa 2kW, quando submerso em uma
corrente de água que está a 20 °C, onde o coeficiente de transferência de calor
por convecção é de ℎ = 5000𝑊/𝑚²𝐾. Desprezando a transferência de calor
pelas extremidades do aquecedor, determine sua temperatura superficial 𝑇𝑆.
Se o escoamento de água for inadvertidamente interrompido e o aquecedor
permanecer em funcionamento, a superfície do aquecedor passa a ser exposta
ao ar que também se encontra a 20 °C, mas para o qual ℎ = 50𝑊/𝑚²𝐾.
Qual é a temperatura superficial correspondente?
Questão 4
Um controlador de temperatura de um secador de roupas consiste em um
interruptor bimetálico montado sobre um aquecedor elétrico que se encontra
preso a uma junta isolante montada em uma parede. O interruptor é ajustado
para abrir a 70℃, que é a máxima temperatura do ar no secador. A fim de
operar o secador a uma temperatura do ar mais baixa, é fornecida potência
suficiente para o aquecedor tal que o interruptor alcança 70 ℃ (𝑇𝑠𝑒𝑡), quando
a temperatura do ar 𝑇∞ for menor que 𝑇𝑠𝑒𝑡. Se o coeficiente de transferência
de calor por convecção entre o ar e a superfície exposta do interruptor com 30
mm² é 25 W/m²K, qual a potência do aquecedor é necessária para que a
temperatura desejada do ar do secador seja 𝑇∞= 50 ℃?
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Referências Bibliográficas
•MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.; MUNSON, B. R.; DEWITT, D. P.; Introdução a 
Engenharia de Sistemas Térmicos. 5ª Ed., Rio de Janeiro. Editora LTC, 2005. 
SCHMIDT, Frank W.; HENDERSON, Robert E. Introdução às ciências térmicas: 
termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. São Paulo: 
Blucher, 1996.