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Transferência de calor Transferência de Calor O calor passa de um lugar para outro por: 1 - condução: trânsferência de calor que ocorre através do meio. 2 - convecção: transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento (o vento, por exemplo). 3 - radiação térmica: toda superfície a uma temperatura maior que zero Kelvin, emite energia na forma de ondas eletromagnéticas. Processo de Transferência de Calor Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações. Condução Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto. Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar. Condução Os sólidos (tais como os metais), cujos átomos ou moléculas possuem elétrons fracamente ligados, são bons condutores de calor. Estes elétrons movimentam-se rapidamente e transferem energia para outros elétrons, que rapidamente migram através do sólido Maus condutores de calor ou isolantes térmicos (tais como vidro, lã, madeira, papel, cortiça, espuma de plástico e o ar) são formados por moléculas às quais os elétrons estão firmemente ligados. Nestes materiais, as moléculas oscilam em torno de um mesmo lugar e transferem energia somente através das interações com seus vizinhos imediatos. Aplicações e conseqüências Condução Conforto térmico corporal Seleção de materiais para empregos específicos (condutores e isolantes). Taxa de transferência de calor (ou de condução) ou corrente térmica dx dTkA dt dQH −== L TTkAH CH −= Fluxo de calor constante produzido pela condução de calor em uma barra uniforme T : temperatura k : condutividade térmica A: área L: Comprimento da barra Unidade de H é W, ou J/s k é W/m.K Taxa de transferência de calor (ou de condução) ou corrente térmica L TTkAH CH −= (TH – TC)/L é denominada módulo do gradiente de temperatura O valor numérico de k depende do material da barra. Os materiais com valores elevados de k são bons condutores de calor; os materiais com valores pequenos de k conduzem pouco calor ou são isolantes Resistência Térmica R TTAH CH −= No isolamento térmico de edifícios, os engenheiros usam o conceito de resistência térmica, designado por R R é dado por k LR = A unidade de R é m2.K/W Quando há várias camadas da mesma superfície A, a resistência vale Rr = R1 + R2 + R3 +…. Neste caso, a taxa de perda de calor é: Resistência Térmica R CH R TTAH −= Exercício Uma barra de aço de 10,0 cm de comprimento é soldada pela extremidade a uma barra de cobre de 20,0 cm de comprimento. As duas barras são perfeitamente isoladas em suas partes laterais. A seção reta da duas barras é um quadrado de lado igual a 2,0cm. A extremidade livre da barra de aço é mantida a 100oC pelo contato com vapor d’água obtido por ebulição, e a extremidade livre da barra de cobre é mantida a 0oC por estar em contato com gelo. Calcule a temperatura na junção entre as duas barras e a taxa total da transferência de calor. kaço= 50,2 W/m.K kcobre= 385,0 W/m.K Exercício Suponha que no exemplo anterior as duas barras estejam separadas. Uma extremidade de cada barra é mantida a 100oC e a outra extremidade é mantida a 0oC. Qual é a taxa total de transferência de calor nas duas barras? kaço= 50,2 W/m.K kcobre= 385,0 W/m.K Escola de Lata Alunos se queixam de calor em escolas de lata do Estado de SP http://migre.me/8Fhg2 RS: em escola de lata, estufa e cobertor viram material escolar http://migre.me/8FhhX A dona de casa Maria Regina da Silva, 41, tem três filhos na escola. A reclamação deles é a mesma: muito calor. "Os alunos ficam batendo o pé, eu coloquei jornal nos meus pés e nos calçados deles para aquecer um pouquinho. Tenho cobertor na sala de aula para quando o frio está muito intenso” "camadas" constituintes da parede externa: tijolo maciço + lã de rocha + tijolo maciço Isolamento térmico Isolamento térmico Esquadria com vidros duplos e persianas externas de PVC Telhado-verde Isolamento térmico Telhados com isolantes térmicos http://www.recriarcomvoce.com.br/blog_recriar/tag/isolante-termico/ Caixinhas de leite que sempre vão parar no lixo podem ser reaproveitadas e transformadas em isolante térmico alternativo para residências e galpões, reduzindo a temperatura no interior dos imóveis em até 8º C Isolamento térmico Caixinhas de longa vida deixam a casa mais fresca “Para não esquentar, as chapas de aço das paredes são revestidas de isopor e madeira.” Franquia transforma contêiner velho em loja de roupa e cresce no país Loja Container http://migre.me/8FhPd Convecção É a transferência de calor ocorrida pela movimento da massa de uma região do fluido para outra região Convecção Convecção A colocação de aberturas nas coberturas aumenta a ventilação natural pela formação de uma camada de ar móvel entre o forro e o telhado. O calor de insolação no verão, incide sobre as telhas e aquece o forro. Convecção Convecção A taxa de transmissão de calor (Δ Q/ Δ t) do objeto quente para o meio que o rodeia é proporcional a área A do objeto e a diferença de temperatura ΔT: onde o coeficiente de convecção h depende da forma e orientação do objeto e das propriedades de transferência do meio. O coeficiente de convecção natural do ar para uma placa ou parede vertical, é h = 1.77 (ΔT)1/4 W/m2K. ThAH Δ= Radiação É a transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, como a luz visível, a radiação infravermelha e a radiação ultravioleta Propaga-se através do vácuo Usualmente chamada de radiação térmica Radiação A energia solar consegue atravessar o vidro da estufa com facilidade, mas a radiação emitida pelas plantas e o solo que absorveu o calor não saem tão facilmente assim, ajudando a manter o calor dentro dela. Radiação Efeito Estufa O dióxido de carbono e o vapor d’água da atmosfera dificultam a propagação dos raios infravermelhos. Com isso, a energia térmica emitida pela Terra fica, em parte, retida. A Termografia é a técnica que estende a visão humana através do espectro infravermelho. O Infravermelho é uma freqüência eletromagnética naturalmente emitida por qualquer corpo, com intensidade proporcional a sua temperatura. Radiação Radiação e absorção A taxa na qual um objeto irradia energia é proporcional a área de sua superfície e a 4ª potência de sua temperatura absoluta. 4TAH εσ= σ: constante de Stefan-Boltzmann = 5,67040(4)x10-8 W/ m2.K4 ε: emissividade da superfície do objeto. A ε de uma superfície escura é geralmente maior do que a de uma superfície clara. Radiação e absorção Enquanto um corpo com temperatura T esta irradiando, o ambiente que está a uma temperatura TS também está irradiando, e o corpo absorve uma parte dessa radiação. A taxa de radiação resultante de um corpo a uma temperatura T imerso em um ambiente que está a uma temperatura TS é dada por )( 4444 SStotal TTATATAH −=−= εσεσεσ Nessa equação, um valor positivo de H significa que o fluxo resultante ocorre para fora do corpo. Radiação Os coletores solares usados em sistemas de aquecimento de água são caixas contendo uma superfície de vidro e um sistema de tubulações de cobre (bom condutor térmico). O coletor absorve a radiação solar e aquece a água que circula pela tubulação. Esta água quente (60o a 90oC) é armazenada num reservatório térmico cujas paredes estão recobertas por um material termicamente isolante. O preto esquenta mais? O preto esquenta mais rápido porque absorve melhor a radiacão, porém, ele também esfria mais rápido pois são bons emissores também. http://www.agencia.fapesp.br/8008 "Ao mudar a cor das paredesde amarelo terra, que tem uma tonalidade mais escura, para branco, por exemplo, as simulações indicaram uma redução do consumo de energia elétrica anual para refrigerar o ambiente de até seis vezes. Ou seja, o impacto é muito grande", disse Kelen. Cores que ajudam a economizar Telhados brancos Campanha promove pintura de telhado para reduzir aquecimento global De acordo com esse estudo, a pintura de telhados e lajes superiores com cores claras reduz a temperatura no interior das edificações em cerca de 6°C, pois o branco reflete até 90% dos raios solares, enquanto a telha cerâmica comum absorve essa mesma porcentagem de calor. http://migre.me/8Fj1S Pintar telhado de branco não assegura o conforto térmico O problema é que as tintas imobiliárias são suscetíveis ao crescimento de fungos escuros. Atacado por micro-organismos, o telhado volta a absorver a mesma quantidade de calor devido à cor. Para resolver a questão, há outras opções. "É possível usar o sombreamento da unidade habitacional, soluções de isolamento térmico, tetos frios e telhados verdes", cita Vera Hachich. http://migre.me/8Fjcn Exercício Sabendo que a área total do corpo é de 1,20m2, e que a temperatura da superfície é de 30oC, calcule a taxa total de transferência de calor do corpo por radiação. Se o meio ambiente está a uma temperatura de 20oC, qual é a taxa resultante do calor perdido pelo corpo por radiação? A emissividade do corpo é próxima da unidade, independentemente da pigmentação da pele..
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