Aula2_Conceitosbásicos

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Conceitos básicos da transferência de calor
Prof.(a) Dra. Jéssyca Kaenny de A. Bezerra
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia 
Departamento do Engenharia Química
Fenômenos de Transporte II – DEQ0303
Processos de contato gás-líquido que envolve a transferência, normalmente da água, entre as fases.
Objetivos
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Compreender a relação entre a termodinâmica e a transferência de calor
Distinguir a energia térmica de outras formas de energia e a transferência de calor de outras formas de transferência de energia
Entender os mecanismos básicos da transferência de calor;
Identificar os mecanismos que ocorrem de forma simultânea;
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O que é transferência de calor?
Transferência de calor (ou calor) é energia térmica em trânsito em razão de uma diferença de temperaturas no espaço.
Sempre que existir uma diferença de temperaturas em um meio ou entre meios, haverá, necessariamente, transferência de calor.
O que é energia?
Capacidade de se produzir um efeito. Pode ser acumulada em um sistema ou transferida de um sistema para outro.
1. Termodinâmica e transferência de calor
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1. Termodinâmica e transferência de calor
1. Termodinâmica e transferência de calor
Formas de energia
TRABALHO
CALOR
O CALOR é uma forma de energia que pode ser transferido de um sistema para outro em consequência da diferença de temperatura entre eles
1. Termodinâmica e transferência de calor
Termodinâmica
Transferência de calor
Focada na quantidade transferida de calor;
 Trabalha com estados termodinâmicos em equilíbrio e transformações de um estado de equilíbrio para outro;
As leis da termodinâmica estabelecem o ambiente de trabalho na ciência da transferência de calor
Forcada na taxa de transferência de calor;
Sistemas que não estão em equilíbrio térmico (Não estão em equilíbrio termodinâmico).
A variação de temperatura são os objetivos da transferência de calor;
1ª Lei – estabelece a taxa de energia transferida para um sistema deve ser igual à taxa de crescimento de sua energia
2ª Lei – estabelece que o calor é transferido na direção da menor temperatura
Termodinamica: 1. Não fornece informação sobre o tempo de duração do processo, apenas informa quanto de calor deve ser transferido para realizar determinada mudança no estado termodinâmico, de forma a satisfazer os princípios de conservação de energia
Transferencia de calor: 1. ex. o usuário/fabricante de uma garrafa térmica esta mais interessado em saber quanto tempo o café demorará para esfriar
1. Termodinâmica e transferência de calor
Força motriz
Corrente elétrica
Escoamento de fluido
Transferência de calor
Diferença do potencial elétrico
Diferença de pressão
Diferença de temperatura
2. Transferência de calor na engenharia
Trocadores de calor
Caldeiras
Condensadores
Fornos
Refrigeradores
Coletores de energia solar
Problemas de dimensionamento:
 Determinar o tamanho do sistema de forma a transferir calor em dada taxa para uma diferença de temperatura específica
3. Calor e outras formas de energia
Energia térmica
Energia mecânica
Energia cinética
Energia potencial
Energia elétrica
Energia magnética
Energia química
Energia nuclear
E – Energia total
U – Energia interna
Joule (J) ou (kJ)
Unidade de energia no SI
3. Calor e outras formas de energia
Calor sensível
Energia associada a movimentação das moléculas proporcionais à temperatura (provoca variação na temperatura);
Calor latente
Energia associada a mudança de fases
3. Calor e outras formas de energia
Calor específico ()
Energia necessária para aumentar a temperatura em 1°C de uma unidade de massa de dada substância
kJ/kg.°C
Para gases ideais podemos relacionar os dois calores específicos por meio da constante dos gases ideais.
4. Transferência de energia
Taxa de transferência de calor ()
Quantidade calor transferido por unidade de tempo.
Fluxo de calor ()
A taxa de transferência de calor por unidade de área normal à direção da transferência de calor
Vimos no inicio dessa aula que a termodinâmica se preocupa com quantidade em si de energia já a transferência de calor com a quantidade de calor por unidade de tempo.
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4. Transferência de energia
Balanço de energia 
Sistemas fechados (massa constante):
Sistema de escoamento em regime permanente
Em superfície
Ocorre apenas a transferência de energia sem a ocorrência de trabalho (W=0) por meio das suas fronteiras
Utilizamos do conceito de volume de controle () e ()
Observa-se a troca de energia na superfície, com aplicação do princípio da conservação de energia na superfície.
Vimos no inicio dessa aula que a termodinâmica se preocupa com quantidade em si de energia já a transferência de calor com a quantidade de calor por unidade de tempo.
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4. Transferência de energia
1ª Lei da Termodinâmica (sistema fechado)
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Problema 1
Aquecimento de uma esfera de cobre
Uma esfera de cobre de 10 cm de diâmetro deve ser aquecida de 100 ºC até a temperatura média de 150 °C em 30 min. Admitindo que os valores médios da densidade e do calor específico da esfera são e , respectivamente, determine: a) a quantidade total do calor transferido para esfera de cobre, b) a taxa média do calor transferido para a esfera (W) e c) o fluxo de calor (W/m²).
 
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5. Mecanismos de transferência de calor
5. Mecanismos de transferência de calor
CONDUÇÃO
Quando um gradiente de temperatura existe num meio estacionário: Sólido ou fluido.
Entre sólidos ou sólidos em contato.
Atividade atômica ou molecular.
Transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substancia. Ou seja, direção decrescente de temperatura.
Todos os modos exigem diferença de temperatura e que a transferência ocorra da maior para a menor temperatura. Nas próximas aulas recordaremos mais detalhadamente cada modo.
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5. Mecanismos de transferência de calor
5. Mecanismos de transferência de calor
CONVECÇÃO
Dois mecanismos:
Movimento molecular aleatório (difusão, v = 0).
Movimento macroscópico do fluido (Advecção).
Ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento quando estão a temperaturas diferentes.
Partículas do fluido ganham energia cinética a medida que são aquecidas.
Partículas aquecidas sobem e as frias descem.
Convecção Natural (diferença de densidade).
Convecção Forçada.
Quanto mais rápido for o movimento do fluido, maior será a transferência de calor por convecção. Na ausência de movimento a transferência de calor ocorre exclusivamente por condução.
Forçada – o fluido é forçado a fluir sob a superfície (ventilador, bombas..)
Natural – forças de flutuação induzidas por diferenças de densidade decorrentes da variação de temperatura
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5. Mecanismos de transferência de calor
EXEMPLOS DE CONVECÇÃO
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5. Mecanismos de transferência de calor
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5. Mecanismos de transferência de calor
CONVECÇÃO
5. Mecanismos de transferência de calor
RADIAÇÃO
Energia emitida pela matéria devido às mudanças nas configurações dos elétrons de seus átomos ou moléculas, sendo transportada por ondas eletromagnéticas.
Qualquer corpo com temperatura finita emite radiação térmica. 
Foco: sólido (mas também pode ocorrer em líquidos ou gases).
Não requer a presença de um meio.
Transferência mais rápida
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5. Mecanismos de transferência de calor
RADIAÇÃO
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6. Circuito térmico
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Resumo de processos de transferência de calor
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Problema 2
Perda de calor em dutos de aquecimento, em um porão
Uma trecho de 5 m de comprimento de sistema de aquecimento de ar passa por um espaço não aquecido em um porão. A seção transversal do duto retangular mede 20 cm x 25 cm. Ar quente entra no duto a 100 kPa e 60 °C, com velocidade média de 5m/s. A temperatura do ar no duto cai para 54 °C , como resultado da perda de calor para o espaço frio do porão. Determine a taxa de perda de calor do ar no duto parao porão frio sob condições de regime permanente. Determine também o custo dessa perda de calor por hora, uma vez que a casa aquecida por uma fornalha de gás natural cuja eficiência é de 80%, em uma região onde o custo do gás natural é de R$ 1,6/ therm (1 therm = 105500 kJ).
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Problema 2
Resolução:
Área da seção transversal do duto
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Exercícios para fixação
A parede de um forno industrial é construída com tijolo refratário com 0,15 m de espessura, cuja condutividade térmica é de 1,7 W/(m · K). Medidas efetuadas ao longo da operação em regime estacionário revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas paredes interna e externa, respectivamente. Qual é a taxa de calor perdida em uma parede que mede 0,5 m × 1,2 m?
Uma tubulação de vapor d’água sem isolamento térmico atravessa uma sala na qual o ar e as paredes se encontram a 25 °C. O diâmetro externo do tubo é de 70 mm, a temperatura de sua superfície é de 200 °C e esta superfície tem emissividade igual a 0,8. Quais são o poder emissivo da superfície e a sua irradiação? Sendo o coeficiente associado à transferência de calor por convecção natural da superfície para o ar igual a 15 W/(m2 · K), qual é a taxa de calor perdida pela superfície por unidade de comprimento do tubo?
Uma barra longa feita de material condutor, com diâmetro D e resistência elétrica por unidade de comprimento encontra-se inicialmente em equilíbrio térmico com o ar ambiente e a sua vizinhança. Esse equilíbrio é perturbado quando uma corrente elétrica I passa pelo bastão. Desenvolva uma equação que possa ser usada para calcular a variação na temperatura da barra em função do tempo durante a passagem da corrente.
Para refletir...
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“ Há uma força mais poderosa que o vapor, a eletricidade e a energia atômica: A VONTADE.”
				 -Albert Einstein
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