Aula 2 Formas de transmissão de calor 05março2013

Prévia do material em texto

*
*
Formas de Transmissão de Calor
Maria Helena Paranhos Gazineu
*
*
Calor: forma de energia em trânsito de um corpo para o outro, desde que exista entre eles uma diferença de temperatura. 
De forma espontânea, o calor flui do corpo com maior temperatura para o de menor temperatura.
A transmissão do calor pode ocorrer de três formas: 
 condução 
 convecção 
 irradiação
*
*
Difusão de Energia Térmica
A transferência de calor está associada ao choque entre moléculas. Uma molécula mais veloz choca-se com uma molécula menos veloz, "transferindo" energia cinética. 
Este mecanismo se chama difusão de energia térmica.
Difusão de Energia Térmica
*
*
Taxa de Transferência de Calor
Indica quanto calor foi transferido por unidade de tempo
*
*
Taxa de Transferência de Calor
Exemplo: Um recipiente contém 0,5 kg de água pura a 25°C. O recipiente é aquecido em um forno de microondas, e a temperatura da água passa a ser de 50°C. Qual foi a quantidade de energia fornecida para a água?
Solução: Q = m.c.∆T
Calor específico da água: 4,186 kJ/kg.K
 Q = 0,5 . 4,186 . (50 - 25) = 52,3 kJ
Suponha que o recipiente tenha ficado 1 minuto no forno. Qual foi então a taxa de transferência de calor?
Solução: 1 minuto = 60 segundos. Daí: 
Então a taxa de transferência de calor fornecido pelo microondas para a água foi de 0,87 kW, ou seja, 870 Watts.
*
*
Taxa de Transferência de Calor
Exemplo: 
Ar com vazão de 2,5 kg/s é aquecido de -10 a 30°C em um trocador de calor. Qual é a taxa de transferência de calor?
Solução: Q = m.c.∆T
onde Cp representa o calor específico do ar (1,007 kJ/kg.°C), 
Tinicial = -10°C 
Tfinal = +30°C 
 
 Q = 2,5 . 1,007 . (30 – (-10) = 100,7 kW
*
*
Unidades
*
*
Unidades
*
*
Mecanismos de Transmissão de Calor
*
*
Condução de Calor
Nos corpos sólidos:
As moléculas apresentam forte ligação entre si, gerando uma estrutura “fixa”. Existe transferência de energia cinética de uma molécula para outra, mas não ocorre alteração da posição espacial das moléculas. 
Ou seja, as moléculas trocam energia entre si, mas não mudam de lugar no espaço.
*
*
Condução de Calor
Na condução, a transmissão do calor de uma região para a outra ocorre da seguinte maneira: 
Na região mais quente, as partículas têm mais energia térmica, vibrando com mais intensidade; com essa vibração, cada partícula transmite energia para a partícula vizinha, que, ao receber energia, passa a vibrar com maior intensidade; esta transmite energia para a seguinte e, assim, sucessivamente.
A condução de calor é um processo que necessita da presença do meio material e, portanto, não ocorre no vácuo.
Condução é a transferência de calor pelo mecanismo de difusão, sem o transporte das moléculas; é o mecanismo de transferência de calor característico de corpos sólidos.
*
*
Condução de Calor
Há materiais que conduzem o calor rapidamente, como por exemplo, os metais. 
Os metais são chamados de bons condutores.
Por outro lado, há materiais nos quais o
calor se propaga muito lentamente. 
Tais materiais são chamados isolantes. 
Exemplos: borracha, lã, isopor e amianto.
*
*
Lei da condução térmica ou Lei de Fourier
A taxa de transmissão de calor através
de uma camada de espessura d é proporcional a área A, e a diferença de temperatura entre as duas faces 
K: condutividade térmica do material 			[W/m-K]
Valores típicos para k: 
cobre: k = 393 W/m-K; tijolo: 0.69; vidro: 0.78; madeira de pinho ~0.13; cimento 0.29; argamassa: 1.16; concreto: 1.37; chapa cimento amianto: 0.74; Insulex: 0.064; lâ de vidro 0.038 W/m-K.
*
*
Lei da condução térmica ou Lei de Fourier
Lei de Fourier
O fluxo de calor por condução térmica em um material homogêneo, após ter atingido um regime estacionário de escoamento, é diretamente proporcional à área da secção transversal, à diferença de temperatura entre os extremos e inversamente proporcional à espessura
da camada em questão.
*
*
Lei da condução térmica ou Lei de Fourier
Quanto maior for o valor do coeficiente de condutibilidade térmica (K) do material, melhor será a condução térmica, ou seja, o material é um bom condutor térmico. 
No caso dos materiais isolantes térmicos, o K apresenta um valor bem menor.
*
*
Lei da condução térmica ou Lei de Fourier
*
*
Lei da condução térmica ou Lei de Fourier
Na construção civil costuma-se utilizar o conceito de resistência térmica (R).
Quando há várias camadas com a mesma superfície A, a resistência vale
 
 R = R1 + R2 + R3 +….
Neste caso, a taxa de perda de calor é:
*
*
Fluxo Radial de Calor
Figura: tubo de vapor envolvido por uma camada de material isolante.
Se T2 for maior que T1, o calor fluirá para fora e, no estado estacionário,
o fluxo de calor (Φ) será o mesmo através de todas as superfícies dentro do isolante.
*
*
Fluxo Radial de Calor
Se o comprimento do cilindro for L, a área lateral deste cilindro será 2π.r.L e o fluxo de calor será dado por:
E a temperatura, na superfície de raio r:
*
*
Exemplo
Uma barra de aço de 10 cm de comprimento está soldada por suas extremidades a uma barra de cobre de 20 cm de comprimento. Supondo que cada barra tenha uma secção transversal quadrada de lado 2 cm, que o lado livre da barra de aço está em contato com o vapor na temperatura de 100ºC e que o lado livre do cobre, com gelo em 0ºC, vamos determinar a temperatura de junção das duas barras e o fluxo total de calor, quando o sistema estiver em regime estacionário.
Resolução:
De acordo com a tabela, temos:
K (aço) = 0,12 cal/s cmºC
K (cobre) = 0,92 cal/s cmºC
Para que o sistema esteja em regime estacionário, os fluxos de calor nas duas barras têm de ser iguais. Seja T a temperatura de junção.
*
*
Usando a equação de Fourier teremos: Φ (aço) = Φ (cobre)
O fluxo total de calor pode ser obtido pela substituição de T em uma das expressões acima:
Por mais que a barra de aço seja mais curta, a queda de temperatura através dela é muito maior do que através da barra de cobre, pois o cobre é muito melhor condutor que o aço.
Exemplo
*
*
Em uma refinaria de petróleo, o vapor de água em temperatura de 120ºC é conduzido por uma canalização de raio igual a 30 cm. A canalização é envolvida por uma capa cilíndrica de cortiça com raios internos e externos, respectivamente iguais a 30 cm e 50 cm. A superfície externa está em contato com o ar em temperatura de 10ºC. 
K(cortiça) = 0,04 J/ s.m .ºC
a) Qual a temperatura num raio de 40 cm?
b) Qual a taxa de transmissão do calor para o exterior, supondo que a canalização tem 10 m de comprimento?
Exemplo
*
*
Exemplo
*
*
Convecção térmica
Convecção térmica é o processo de transmissão do calor de um local para o outro pelo deslocamento de matéria. 
Exemplos: o forno de ar quente e o aquecedor de água quente. 
A convecção ocorre no interior de fluidos (líquidos e gases) como conseqüência da diferença de densidades entre diferentes partes do fluido.
Quando aquecemos um corpo, em geral o seu volume aumenta e a sua densidade diminui, já que definimos a densidade de um corpo como sendo: 
 d = m
 V
*
*
Convecção térmica
À medida que sobe, o ar mais aquecido entra em contato com o ar em temperatura inferior, e com as paredes, também mais frias, transferindo calor e, por isto, aumentando a sua densidade, e adquirindo um movimento descendente. Ao descer, entrará novamente em contato com a estufa ou aquecedor, criando assim uma movimentação constante do ar, denominada corrente de convecção.O ar, em contato com o corpo quente (aquecedor de ar), recebe calor por difusão e aquece-se. Ao aquecer-se, dilata-se e, por isso, fica menos denso (mais leve) adquirindo movimento ascendente, subindo, enquanto o ar do restante da sala, mais frio (e por isto mais denso), adquire movimento descendente. 
*
*
Convecção térmica
Ocorrem dois mecanismos distintos: 
a difusão de energia entre as moléculas, e a movimentação destas moléculas.
A água que entra em contato com o fundo aquecido recebe calor e dilata; como a
densidade diminui, “bolsas” de água mais aquecida sobem até atingirem a superfície,
originando assim correntes de convecção no interior do líquido.
*
*
Convecção térmica
Se o material aquecido for forçado a se mover por intermédio de uma bomba, o processo é chamado convecção forçada; 
se o faz por causa de diferenças de densidade, é chamado de convecção natural.
Convecção é a transferência de calor pela matéria em movimento; é o mecanismo que caracteriza a transferência de calor em fluidos.
*
*
Correntes de Convecção
As correntes de convecção desempenham um papel de grande importância em situações de nossa vida diária. 
A formação dos ventos,
devido à variação de densidade do ar, é o resultado das correntes de convecção da atmosfera.
*
*
O transferência de calor por Convecção abrange dois mecanismos:
	•movimento molecular aleatório (difusão) assim como na condução.
	•movimento global ou macroscópico do fluido (agrupados de moléculas)
Convecção térmica
*
*
A transferência de calor por convecção depende da viscosidade e das propriedades térmicas do fluido (condutividade térmica, calor específico, densidade).
Se uma placa aquecida estiver exposta ao ar ambiente, sem uma fonte externa de movimentação de fluido, o movimento do ar será devido às diferenças de densidade nas proximidades da placa (convecção natural).
Transferência de calor por Convecção de uma Placa
*
*
A equação da taxa de transferência de calor por convecção é conhecida como a Lei de Newton do Resfriamento.
Convecção térmica
*
*
Calcule a taxa de transferência de calor por convecção natural entre uma seção de área de 20x20m do telhado de um barracão e o ar ambiente, se a temperatura da superfície do telhado for 27º C, e a temperatura do ar -3º C e o coeficiente médio de transferência de calor por convecção 10W/m2K
Exemplo
*
*
 Tabela - Valores aproximados de coeficientes de transferência de calor por convecção (h).
Exemplo
*
*
A radiação térmica é a energia emitida por toda a matéria que se encontra a uma temperatura não nula, atribuída às mudanças na configuração eletrônica dos átomos ou moléculas que constituem a matéria. 
A energia é transportada por meio de ondas eletromagnéticas (fótons).
A radiação não necessita da presença de um meio material. 
Transferência de Calor por Radiação Térmica
*
*
Poder emissivo , E, da superfície: é a taxa pela qual a energia é liberada por unidade de área (W/m2). 
Existe um limite superior para o poder emissivo previsto pela lei de Stefan-Boltzmann:
Transferência de Calor por Radiação Térmica
*
*
Uma superfície que emite e absorve o limite máximo de radiação possível é chamada de radiador ideal ou CORPO NEGRO. 
O fluxo de calor emitido por um corpo real é menor que o emitido por um corpo negro à mesma temperatura: 
Transferência de Calor por Radiação Térmica
 onde ε é uma propriedade da superfície denominada Emissividade, que depende fortemente do material e acabamento da superfície.
*
*
Transferência de Calor por Radiação Térmica
 A radiação também pode incidir sobre a superfície a partir de sua vizinhança. 
 Independente da fonte, a taxa em que todas as radiações incidem sobre uma área unitária da superfície é designada por Irradiação, G.
 A irradiação pode ser absorvida pela superfície aumentando a energia térmica do material.
A taxa em que a energia radiante é absorvida pode ser avaliada conhecendo-se a absortividade α,uma propriedade da superfície.
 
 Gabsorvida = α.G (0≤α≤1)
Frações da radiação incidente podem ser absorvidas, refletidas ou transmitidas pelo material.
*
*
Um radiador perfeito emite energia irradiada de sua superfície a uma taxa qr fornecida por:
 
Onde T1 é a temperatura na superfície em Kelvin
A1 é a área da superfície em m2
σ é a constante de Stefan-Boltzmann
 qr=σ A1T14 
Transferência de Calor por Radiação Térmica
*
*
Se o corpo negro irradiar para um envoltório fechado que também é negro, a taxa líquida de transferência de calor irradiado é fornecido por:
Transferência de Calor por Radiação Térmica
*
*
Os corpos reais emitem radiação a uma taxa mais baixa, podendo ser chamados de corpos cinzentos. 
A taxa de transferência de calor entre um corpo cinzento a temperatura T1 e um envoltório negro fechado à temperatura T2 é:
Onde ϵ1 é a emitância da superfície cinzenta.
Transferência de Calor por Radiação Térmica
*
*
A condutância de radiação térmica unitária ou coeficiente de transferência de calor por radiação, hr, é dado por:
Coeficiente de Transferência de Calor por Radiação
*
*
Uma haste cilíndrica longa, aquecida eletricamente, com 2cm de diâmetro, é instalada em um forno à vácuo. A superfície da haste tem uma emissividade de 0,9 e é mantida a 1000K, enquanto as paredes internas do forno são negras e estão a 800K. Calcule a taxa líquida com que o calor é retirado da haste por comprimento unitário e o coeficiente de transferência de calor por radiação.
Exemplo