Trabalho para a AV2_Crislane Menezes de Souza_201101245301

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CRISLANE MENEZES DE SOUZA
TEMPERATURA, CALOR E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA.
CAMPOS
MAIO/2013
 
 CRISLANE MENEZES DE SOUZA
TEMPERATURA, CALOR E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA.
	
	Relatório apresentado ao professor Djalma Souza, do 5º Período do curso de Graduação em Engenharia Elétrica, da Faculdade Estácio de Sá de Campos dos Goytacazes como requisito parcial para avaliação da disciplina de Fenômenos de Transporte. 
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CAMPOS
MAIO/2013
1) Quais os mecanismos físicos associados à transferência de calor por condução, convecção e radiação?
Condução:
É um processo pelo qual o calor flui duma região de alta temperatura para outra de baixa temperatura dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato físico direto. Na condução a energia é transmitida por meio de comunicação molecular direta, sem apreciáveis deslocamentos das moléculas.
Convecção:
É um processo de transferência de energia pela ação combinada da condução de calor e movimento da mistura e armazenagem de energia. Na prática subentende-se o processo de troca de calor entre corpo líquido ou gasoso e sólido. A causa do movimento do fluído pode ser externa em consequência dum trabalho mecânico (ex.: com ajuda de um ventilador ou bomba); neste caso tem-se convecção forçada, ou o movimento resulta espontaneamente quando: t=t1-t2 causa uma diferença de densidade dum fluído este fenómeno chama-se convecção livre. 
Expressão Geral:
q = h*A*(Tp-T∞) , Equação de Newton onde:
q - fluxo de calor por convecção (W);
h - coeficiente de convecção (W/m2ºC);
A - área da superfície (m2 );
Tp - temperatura da superfície em contato com o fluido (ºC);
T∞ - temperatura do fluido (ºC).
 Radiação: 
É um processo pelo qual o calor é transmitido de um corpo a alta temperatura, para um de mais baixa quando tais corpos estão separados no espaço ainda que exista vácuo entre eles. Um corpo quente emite energia de radiação em todas as direções. Quando esta energia atinge um outro corpo uma parte desta, pode ser refletida, outra parte transmitida e o resto absorvido e transformado em calor. Por outras palavras radiação é um processo de transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas.
2) Qual a força motriz para o processo de transferência de calor?
A força motriz para a transferência de calor (energia transferida) é a diferença nos níveis de temperatura entre os fluidos quentes e frios (sistema x ambiente ou vice-versa), quanto maior a diferença, maior a taxa à qual o calor irá fluir entre eles. Com sequências de processamento complexo o designer deve aperfeiçoar os níveis de temperatura em cada fase para maximizar a taxa total de fluxo de calor. 
3) Defina a Lei de Fourier e Lei de Resfriamento de Newton. Para que elas são utilizadas? Qual o significado do coeficiente de condutividade térmica e de condutividade térmica. Dê as unidades de medida para os termos das leis de Fourier e de resfriamento de Newton no SI.
A Lei de Fourier é a lei básica de transmissão de calor por condução tendo sido J. Fourier o primeiro a usa-la explicitamente num artigo sobre transferência de calor no ano de 1822. Esta lei afirma que o calor trocado por condução em uma certa direção é proporcional a área normal à direção e ao gradiente de temperaturas na tal direção: 
Introduzindo uma constante positiva chamada Condutividade Térmica, que é uma propriedade termodinâmica, pode-se escrever:
Utilizando o conceito de Fluxo de Calor, que é a taxa de troca de calor por unidade de área. [W/m2], tem-se que:
O sinal negativo é posto para garantir que o fluxo de calor seja positivo no sinal positivo de x.
Exemplo de utilização:
 As superfícies interna e externa de uma parede de 5 x 6 m e 30 cm de espessura e condutividade térmica de 0,69 W/mºC são mantidas as temperaturas de 20ºC e 5ºC respectivamente. Determine o calor transferido pela parede.
A Lei de Resfriamento de Newton que determina a quantidade de calor transferido por convecção. A densidade de fluxo de calor transmitida por unidade de tempo por convecção entre uma superfície e um fluido pode ser calculada pela relação:
Esta relação foi proposta originalmente pelo cientista Inglês Isac Newton (1701), onde As é a área superficial ou de contato, q é a densidade de fluxo de calor, h é o coeficiente de troca de calor por convecção [W/m2K], Ts é a temperatura da superfície e T ∞ é a temperatura do fluido. A temperatura do fluido é em geral tomada num ponto afastado da superfície. Uma preocupação a ser resolvida é o ponto onde deve ser colocado o termómetro que fará a medição das temperaturas. Para a temperatura Ts é simples uma vez que por definição esta deverá ser a temperatura da superfície. Entretanto no segundo caso a situação se complica uma vez que a temperatura próximo da peça quente será maior que longe dela. A quantidade total de calor transmitida é dada por:
Exemplo de utilização:
Um tanque está exposto ao ar ambiente que se encontra a temperatura de 20ºC com um coeficiente de transmissão de calor de 25 W/m2·ºC. A temperatura do tanque de paredes finas é a mesma do nitrogénio que se encontra no seu interior. Desprezando a transferência de calor por radiação determine a taxa de evaporação do nitrogénio líquido no tanque, como resultado da transferência de calor do ar ambiente.
Condutibilidade térmica é uma propriedade térmica típica de um material homogéneo que é igual à quantidade de calor por unidade de tempo que atravessa uma camada de espessura e de área unitárias desse material por unidade de diferença de temperatura entre as suas duas faces. Assim, a condutibilidade térmica caracteriza a maior ou menor facilidade de transferência de calor, ou seja, de condução de calor por parte dos materiais.
A capacidade de isolamento térmico é expressa no Coeficiente de Condutibilidade Térmica (CCT), habitualmente medido em W/m2°C. Um coeficiente mais pequeno denota uma capacidade de isolamento térmico superior. 
4) Diferencie fluxo de calor e taxa de transferência de calor.
Fluxo de calor (ou fluxo térmico) φq através de uma superfície de área S é definido como a quantidade de calor por unidade de tempo (Q/t) por unidade de área: 
 A taxa de transferência de calor total, através da parede, será obtida multiplicando-se o fluxo de calor pela área superficial da parede.
5) Em relação à transferência de calor por radiação defina taxa de emissão de radiação e taxa de absorção de radiação. O que significa emissividade e como é calculada a taxa líquida de transferência de calor por radiação? Em sua definição escreva as equações e o que significa cada termo bem como respectivas unidades no SI.
A absorção de radiação, e também a emissão, por parte dos corpos está relacionada com a taxa de absorção, e de emissão, da radiação com a natureza da superfície do corpo e mede-se qualitativamente através da diferença de temperatura entre a temperatura a que está o corpo e a temperatura do ambiente que o rodeia.
Quando a radiação eletromagnética emitida por um corpo incide noutro, uma parte pode ser refletida, outra parte pode ser transmitida através dele (se for transparente para essa radiação) e a restante pode ser absorvida. A parte que é absorvida aumenta a energia interna desse corpo e isto é traduzível por uma elevação de temperatura.
Teoricamente temos dois extremos: o emissor ideal ou corpo negro, aquele cuja superfície não reflete radiação de nenhuma frequência, visível ou não, absorvendo-a, e depois a emitindo, com emissividade e = 1 para todas as frequências, e o radiador ideal, aquele cuja superfície não emite nem absorve radiação de nenhuma frequência, visível ou não, apenas a refletindo, com emissividade e = 0 para todas as frequências.
Na prática existem corpos que se aproximam do emissor ideal, sendo bons emissores, bons absorventes e maus refletores da radiação e existem outros que se aproximam do radiador ideal, sendomaus emissores, maus absorventes e bons refletores da radiação.
Existem situações intermédias em que os mesmos corpos podem ser bons ou maus emissores/absorsores de radiação de apenas certas frequências.
Vamos comparar um corpo de superfície preta, um corpo de superfície branca e um corpo de superfície metálica, em cada uma das seguintes situações:
Situação 1: incidência de luz visível por uma lâmpada de incandescência (220 v ; 100 w) no corpo, indo este absorver radiação visível e emitir radiação infravermelha, em que ao ser atingido o equilíbrio térmico a taxa de absorção de radiação visível é igual à taxa de emissão de radiação infravermelha.
Situação 2: se o corpo estiver a uma temperatura de cerca de 50ºC e o deixarmos arrefecer, ele irá emitir radiação infravermelha para o ambiente e irá absorver, do ambiente, também radiação infravermelha.
Emissividade é relação entre o poder emissivo de um corpo qualquer e a de um corpo negro. É conhecida como emissividade , e pode ter um máximo igual a 1, que é correspondente à de um corpo negro, e um mínimo igual a zero. Corpos que possuem emissividade inferior a um são chamados corpos cinza. Corpos onde a emissividade é também dependente da temperatura e comprimento de onda são chamados corpos não-cinza. A emissividade representa a maior ou menor tendência que determinado corpo tem em emitir radiação. O poder de emissividade está associado à natureza do corpo, à área exposta e à temperatura absoluta a que se encontra. 
A taxa líquida de transferência de calor por radiação entre duas superfícies é dada por:
ε– emissividade (propriedade radiante da superfície)
σ– constante de Stefan-Boltzmann (5,67x10-8 W/(m².K4)) 
As – Área superficial
Ts– temperatura do corpo (K) e Tarr– temperatura absoluta da vizinhança (K) 
6) Qual o significado do resistência térmica? Como ela é definida para a condução e convecção? Qual a sua analogia com a corrente elétrica?
Resistência térmica é o inverso da condutância térmica:
A unidade SI de resistência térmica é m2 K / W ou m2 ºC / W.
 A resistência térmica de um sistema (objeto) ou seção reta desse define-se como a razão entre o comprimento da seção e a condutividade térmica do material do qual é feita.
Quando temos resistências térmicas em série, estas são adicionadas. Assim, quando há calor através de duas seções justapostas, cada um com uma resistência de 1 °C*W-1, a resistência total é de 2 °C*W-1. Um dos problemas mais comuns no design de engenharia envolve a seleção de um dissipador térmico com tamanho adequado para uma determinada fonte de calor. Trabalhar em unidades de resistência térmica simplifica o projeto. A seguinte fórmula pode ser usada para estimar o desempenho
onde  é a resistência térmica máxima do dissipador de calor à temperatura ambiente,  é a potência térmica e  é a resistência térmica da fonte de calor.
 Na condução em estado estacionário, a quantidade de calor que entra uma seção é igual à quantidade de calor que sai. Na condução em estado estacionário, todas as leis de condução de corrente elétrica direta podem ser aplicadas às "correntes de calor". Nesses casos, é possível tomar "resistências térmicas", como o análogo para resistências elétricas. A temperatura desempenha o papel de tensão e o calor transferido é o análogo da corrente elétrica.
Rcondução = L / kA
A expressão para o fluxo de calor transferido por convecção é:
	
Um fluxo de calor é também uma relação entre um potencial térmico e uma resistência:
	
Igualando as equações, obtemos a expressão para a resistência térmica na convecção :
	
Dois sistemas são análogos quando eles obedecem a equações semelhantes. Isto significa que a equação de descrição de um sistema pode ser transformada em uma equação para outro sistema pela simples troca dos símbolos das variáveis. Por exemplo, a equação 3.6 que fornece o fluxo de calor através de uma parede plana pode ser colocada na seguinte forma :
O denominador e o numerador da equação acima podem ser entendidos assim :
\SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 18 \h	( \SYMBOL 68 \f "Symbol"T ) , a diferença entre a temperatura da face quente e da face fria, consiste no potencial que causa a transferência de calor
\SYMBOL 183 \f "Symbol" \s 18 \h	( L / k.A ) é equivalente a uma resistência térmica (R) que a parede oferece à transferência de calor
Portanto, o fluxo de calor através da parede pode ser expresso da seguinte forma :
	
Se substituirmos na equação acima o símbolo do potencial de temperatura \SYMBOL 68 \f "Symbol"T pelo de potencial elétrico, isto é, a diferença de tensão \SYMBOL 68 \f "Symbol"U, e o símbolo da resistência térmica R pelo da resistência elétrica Re, obtemos a equação 3.9 ( lei de Ohm ) para i, a intensidade de corrente elétrica :
	
Dada esta analogia, é comum a utilização de uma notação semelhante a usada em circuitos elétricos, quando representamos a resistência térmica de uma parede ou associações de paredes. Assim, uma parede de resistência R, submetida a um potencial \SYMBOL 68 \f "Symbol"T e atravessada por um fluxo de calor 
, pode ser representada assim :
[ figura 3.6 ]
7) Como é calculada a taxa de transferência de calor em configurações esféricas e configurações radiais?
Uma das utilizações mais frequentes de configurações esféricas na indústria é na armazenagem de fluidos em baixa temperatura. Devido a uma maior relação volume/superfície da esfera, os fluxos de calor são minimizados.
Consideremos uma esfera oca submetida à uma diferença de temperatura entre a superfície interna e a superfície externa, como pode ser visto na figura 3.10. Se a temperatura da superfície interna for constante e igual a T1, enquanto que a temperatura da superfície externa se mantém constante e igual a T2, teremos uma transferência de calor por condução no regime permanente. Como exemplos analisem a transferência de calor em um reservatório esférico de raio r que contém um fluido em alta temperatura:
[ figura 3.10 ]
O fluxo de calor que atravessa a parede esférica poder ser obtido através da equação de Fourier, ou seja:
	( eq. 3.24 )
Para configurações cilíndricas a área é uma função do raio:
	( eq. 3.25 )
Levando a equação 3.25 na equação 3.24, obtemos:
Fazendo a separação de variáveis e integrando entre T1 em r1 e T2 em r2, conforme mostrado na figura 3.10, chega-se a:
O fluxo de calor através de uma parede esférica será então:
	
Em radial será:
Rcilin == ln (r2/r1) / 2Lk
Referência:
Disponível em:<http://www.hrs-heatexchangers.com/pt/recursos/transferencia-de-calor-fundamentals-01-05.aspx>. Acesso em: 28 de maio de 2013.
Disponível em: <http://nhambiu.uem.mz/wp-content/uploads/2012/02/aula_1.pdf>. Acessado em: 01 de junho de 2013.
Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Emissividade>. Acessado em: 01 de Junho de 2013.
Disponível em: <http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CFQ/Fichas/Absoro_emisso_radiao.html>. Acessado em: 01 de junho de 2013.
Disponível em: <http://paginas.fe.up.pt/~fpinho/pdfs/Formulario_TCalor_v1.pdf>. Acessado em: 01 de junho de 2013.
Disponível em: <http://www.hemeisolantes.com.br/o-que-e-r-resistencia-termica.html>. Acessado em: 01 de junho de 2013.
Yunus A. Çengel, Transferência de Calor e Massa. Disponível em: (Google e-Livro). 
Disponível em: < wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/e/e2/Transcal.do >. Acessado em: 02 de junho de 2013.
Disponível em: < http://pt.scribd.com/doc/35525635/Apostila-Transferencia-de-calor-e-massa>. Acessado em: 02 de junho de 2013.
UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ 
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ 
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
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