Aula 1 : Conceitos Fundamentais da Transferência de Calor

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Profa. Dra. Maria do Carmo de Souza
mcarmols@gmail.com
2016.1
Aula 01 - Conceitos Fundamentais da 
Transferência de Calor
Curso: Engenharia Química
Disciplina: Transferência de Calor
Interesse da Termodinâmica
Transferência de energia, como calor e trabalho, nas
interações do sistema com o meio.
Permite conhecer o quanto de calor deve ser transferido
para realizar uma determinada mudança de estado de um sistema,
satisfazendo a conservação de energia.
Trata somente dos estados finais (equilíbrio) dos processos.
Termodinâmica 
versus 
Transferência de Calor
Interesse da Transferência de calor
Estuda os mecanismos de transferência de calor e calcula o
tempo para que a transferência ocorra.
Seu estudo se centra nas situações de desequilíbrio, onde
há diferença de temperatura.
Termodinâmica 
versus 
Transferência de Calor
Transferência de Calor
Ciência que estuda as taxas de transferência de calor, 
consequentemente, o tempo de aquecimento ou de 
resfriamento, bem como a variação de temperatura.
Gradiente de temperatura é a força motriz da 
Transferência de Calor.
Sempre que existir uma diferença de temperatura em 
um meio ou entre meios haverá transferência de calor.
Aplicações da Transferência de Calor 
na Engenharia
Permite estimar tamanho, materiais, viabilidade operacional e custo de
equipamentos.
Projeto e melhoria da transferência de calor de trocadores de calor,
caldeiras, condensadores, radiadores, fornos, máquinas elétricas,
coletores solares, componentes de usinas elétricas, refrigeradores,
sistemas de ar condicionado, etc.
Isolamento térmico: paredes, telhados, canos de água quente,
tubulações de vapor, aquecedores de água, calefação, etc.
Controle de Temperatura: resfriamento de componentes de circuitos
eletrônicos e equipamentos.
Conforto térmico dos ambientes.
Transferência de Calor
Transferência de Calor
Processos de Transferência de Calor
Condução
Convecção
Radiação Térmica
Processos de Transferência de Calor
Condução através de um 
sólido ou de um fluido 
estacionário
Convecção de uma 
superfície para um fluído 
em movimento
Troca de calor líquida 
pela radiação entre duas 
superfícies
Condução
Processo pelo qual o calor é transmitido de uma região de
maior temperatura para outra de menor temperatura dentro de
um meio estacionário (sólido ou fluido) ou entre meios
diferentes em contato físico.
Deve-se à interação molecular ou atômica entre
partículas mais e menos energéticas, dependendo se fluido (gás
ou líquido) ou sólido, por contato direto.
Condução
Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar.
Característico de meios estacionários.
Calor
Condução de calor ao longo de uma barra.
Condução
Condução de calor ao longo de gás confinado.
 
T1 > T2
A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente
através da agitação molecular e dos choques entre as
moléculas do meio.
Condução
Condução de calor ao longo de gás confinado.
 
T1 > T2
O calor transmitido por condução por unidade de tempo em um
material depende de:
1. Condutividade térmica do material (k);
2. Área da seção transversal através da qual é realizada a transferência
de calor (A);
3. Gradiente de temperatura na direção do fluxo de calor (dT/dx).
Equação de Transferência de Calor 
por Condução
Lei de Fourier
Equação de Transferência de Calor 
por Condução
Lei de Fourier
Pela 2ª Lei da Termodinâmica, o fluxo de calor ocorre da região
de temperatura maior para de temperatura menor. Assim o fluxo de
calor será negativo quando o gradiente de temperatura dor positivo.
Equação de Transferência de Calor 
por Condução
Lei de Fourier
Convenção de Sinais : A direção do aumento da distância x deve ser a
direção do fluxo de calor positivo. E o fluxo será positivo quando o
gradiente de temperatura for negativo, ou seja, na direção decrescente da
temperatura.
Equação de Transferência de Calor 
por Condução
Em uma parede plana de espessura L, onde a distribuição de temperatura é linear T(x), sob
condições de regime estacionário, e com área uniforme, a taxa de calor é:
Condutividade Térmica
A condutividade térmica é uma propriedade física
do material.
Ela indica a quantidade de calor que fluirá através de
uma área unitária se o gradiente de temperatura for
unitário.
Assim a condutividade térmica k é numericamente
igual a quantidade de calor em Joule que passa num
segundo através de uma área unitária (1 m2) do corpo
numa queda de temperatura de 1 K, sobre o trajeto de um
metro (1 m) do fluxo de calor.
Condutividade Térmica de diversas 
substâncias
Condutividade Térmica de diversas 
substâncias
Convecção
Mecanismo de transferência de energia entre
uma superfície sólida e um fluido (líquido ou
gás) adjacente em movimento quando estão a
diferentes temperaturas.
Envolve efeitos combinados de condução e de movimento de um fluido.
A presença de movimento macroscópico do fluido intensifica a transferência
de calor.
Na ausência deste movimento, só ocorre condução.
Convecção
Taxa de Transferência de Calor por 
Convecção
Lei de Resfriamento de Newton
Taxa de Transferência de Calor por 
Convecção
h  não é uma propriedade do fluido, é um parâmetro determinado 
experimentalmente.
Radiação Térmica
Forma de energia emitida pela
matéria que se encontra a uma
temperatura diferente de zero (0 K).
Superfícies sólidas emitem
radiação, mas também pode ocorrer a
partir de gases e líquidos.
Radiação Térmica
A radiação pode ser atribuída a
mudanças nas configurações
eletrônicas dos átomos ou moléculas
que constituem a matéria.
A energia do campo de
radiação é transportada por ondas
eletromagnéticas (fótons).
A transferência de calor por radiação
ocorre eficientemente no vácuo, ela
não necessita de um meio material
para ocorrer.
Radiação Térmica
G
E
q”conv
Gás T, h
Imagine uma superfície com temperatura diferente de zero, que 
se encontra emitindo e absorvendo energia. Nas proximidades 
dela, há um gás que se encontra em uma temperatura T e 
apresenta um coeficiente de película h.
1) E  Poder Emissivo
2) G  Irradiação
Radiação Térmica
Lei de Stefan-Boltzman
Poder emissivo (E) é a taxa na qual a energia é liberada por unidade 
de área (W/m2)  fluxo térmico.
𝐸𝑏 = 𝜎𝑇𝑠
4
Onde:
𝜎 (constante de Stefan-Boltzman) = 5,67 x 10-8 W/(m2.K4)
𝑇𝑠
4 = temperatura absoluta da superfície (K)
Tal superfície é chamada de radiador ideal ou corpo negro.
Radiação Térmica
Lei de Stefan-Boltzman
O fluxo térmico emitido por um corpo real é menor do que aquele 
emitido por um corpo negro a mesma temperatura e é dado por:
𝐸 = ε𝜎𝑇𝑠
4
Onde:
ε = emissividade (propriedade radiante da superfície)
𝜎 (constante de Stefan-Boltzman) = 5,67 x 10-8
𝑇𝑠
4 = temperatura absoluta da superfície (K)
Tal superfície é chamada de radiador ideal ou corpo negro.
Radiação Térmica
Irradiação (G)
Radiação pode também incidir sobre uma superfície a partir de sua 
vizinhança.
𝐺𝑎𝑏𝑠 = 𝛼𝐺
Onde:
𝐺𝑎𝑏𝑠= taxa na qual a energia radiante pode ser absorvida 
(W/m2)
𝛼 = absortividade
Radiação Térmica
Radiação Térmica
Onde: 
Ts é a temperatura da superfície (K)
As é a área da superfície (m2)
σ é a constante de Stefan-Boltzmann = 5,6697 x 10-8 W/m2K4
Exercício 1
• Transferência de Calor por Condução – A parede de
um forno industrial é construída com tijolos
refratários com 0,25 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 1500 e 1250 K
nas paredes interna e externa, respectivamente.Qual é a taxa de calor perdida através de uma parede
que mede 0,5m x 1,2 m?
Exercício 2
Transferência de Calor por Condução – Um equipamento
condicionador de ar deve manter uma sala, de 15 m de
comprimento, 6 m de largura e 3 m de altura a 22 °C. As paredes
da sala, de 25 cm de espessura, são feitas de tijolos com
condutividade térmica de 0,14 Kcal/(h m °C) e a área das janelas
são consideradas desprezíveis. A face externa das paredes pode
estar até a 40 °C em um dia de verão. Desprezando a troca de
calor pelo piso e teto, que estão bem isolados, pede-se o calor a
ser extraído da sala pelo condicionador (em HP). Dado: 1HP =
641,2 Kcal/h.
Exercício 3
• Transferência de Calor por Convecção - Em uma placa plana de 350
mm de comprimento e 200 mm de largura, eletricamente aquecida,
a máxima temperatura permissível no centro da placa é 155 °C.
Para este caso específico o número de Grashof é 2,2 x 107 e o
número de Prandt é 0,7. Sabendo que a equação empírica, obtida
com o auxílio da análise dimensional, que descreve a convecção
natural (regime laminar) em uma placa plana é dada pela equação
abaixo:
• Nu = 0,555 x Gr0,25 x Pr0,25 onde, Nu = h.L/k (L = comprimento da
placa, k = condutividade térmica do fluido).
• Calcular o fluxo de calor transferido por convecção, por ambos os
lados da placa, para o ar atmosférico a 25 °C (kar = 0,026 Kcal/h m
°C).
Exercício 4
• Transferência de Calor por Radiação – Considere-se uma pessoa
cuja área exposta é de 1,70 m2, a sua emissividade de 0,7 e a
temperatura da superfície de 32 °C. Determinar a energia que está
pessoa por radiação numa sala grande se esta tiver as paredes a
300 K e 298 K.