Aula 1 FT nova

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 Profª. Mikele Cândida Sousa de Sant’Anna
Aula 1. Transferência de Calor
A ciência da Termodinâmica lida com a quantidade de calor
transferido quando um sistema passa por um processo de um
estado de equilíbrio, para outro, não fazemos nenhuma
referência ao tempo que tal processo demora.
Em engenharia, nós estamos frequentemente interessados na
taxa de transferência de calor
1.Termodinâmica e Transferência de
Calor
 Uma lata de bebida gelada à
temperatura ambiente...
 Uma xícara de café na
geladeira...
Isso ocorre por causa da transferência de energia do meio 
quente para o meio frio
1.Termodinâmica e Transferência de
Calor
Em termodinâmica estudamos que a energia existe em 
diferentes formas.
Em TC o interesse é o calor
Definição: 
Forma de energia que pode ser transferida de um sistema para o
outro como consequência das diferença de temperatura entre
eles.
A ciência que estuda as taxas de transferência de calor é
chamada de TC.
1.Termodinâmica e Transferência de
Calor
A termodinâmica é focada na quantidade de calor transferido
quando um sistema passa de um dado estado de equilíbrio para
outro, não fornecendo informações sobre o tempo que tal
processo leva.
A análise termodinâmica nos diz somente o quanto de calor
deve ser transferido para realizar uma determinada mudança no
estado termodinâmico, de forma a satisfazer o princípio da
conservação de energia.
1.Termodinâmica e Transferência de
Calor
2.Termodinâmica e Transferência de
Calor
A determinação das taxas de transferências de calor ou de um
sistema, o tempo de aquecimento ou arrefecimento, bem como
a variação de temperatura, é o objetivo da TC.
A termodinâmica trabalha com estados termodinâmicos em
equilíbrio e transformações de um estado de equilíbrio para
outro.
A TC, por outro lado, trabalha com sistemas que não estão em
equilíbrio térmico, sendo, portanto, fenômenos de não-
equilíbrio termodinâmico.
No entanto, as leis da termodinâmica estabelecem o ambiente
de trabalho da ciência da transferência de calor.
A primeira lei estabelece que a taxa de energia transferida para
um sistema seja igual à taxa de crescimento de sua energia.
A segunda lei estabelece que o calor deve ser transferido na
direção da menor temperatura.
1.Termodinâmica e Transferência de
Calor
 A exigência básica para que a TC ocorra é a presença de uma
diferença de temperatura.
 A diferença de temperatura é a força motriz da transferência de
calor.
 A taxa de calor transferido em dada direção depende da
magnitude do gradiente de temperatura (diferença de
temperatura por unidade de comprimento ou taxa de variação
da temperatura) naquela direção.
 Quanto maior o gradiente de temperatura, maior a taxa de
transferência de calor.
1.Termodinâmica e Transferência de
Calor
2. 1 Temperatura
Ponto de vista macroscópico:
Medida de energia cinética associada à vibração das
partículas (em um sólido) ou ao movimento das
partículas (em um gás)...
“mede o grau de agitação das moléculas”
 Temperatura é um conceito de uso cotidiano e portanto 
seu entendimento é geralmente superestimado.
2. Definições Importantes
Termômetros e termoscópios
 Quando alguma propriedade física de um corpo se
modifica com a alteração da temperatura temos um
termoscópio.
 Quando calibramos um termoscópio temos um
termômetro. Com o qual é possível aferir
quantitativamente a temperatura para uma dada escala.
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2. Definições Importantes
2.2 Lei zero da termodinâmica
“Se os corpos A e B estão em equilíbrio
térmico com um terceiro corpo T, então
existe equilíbrio térmico entre eles”.
Ou,
“se dois corpos estão em equilíbrio térmico,
a temperatura de ambos é a mesma (e vice
versa)”
Fonte: http://def.fe.up.pt/fisica3/termodinamica1/
2. Definições Importantes
 Sistemas termodinâmicos
- Aberto: quando consegue
trocar matéria (massa) e
energia (calor e trabalho)
com o meio;
- Fechado: quando apenas
pode trocar energia;
- Isolado: (adiabático) quando
não troca matéria e nem
energia com o meio.
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Fonte:http://www.infoescola.com/fisica
/lei-zero-da-termodinamica/
2. Definições Importantes
3. Áreas de aplicação da transferência
de calor
A transferência de calor é frequentemente encontrada em
sistemas de engenharia e em outros aspectos da vida, e não
precisamos ir muito longe para ver algumas áreas de aplicação
da TC.
Na verdade, não precisamos ir a lugar nenhum.
http://pt.slideshare.net/nunocoelho77/e
struturas-do-corpo-humano
O corpo humano está constantemente
rejeitando calor para o ambiente, e o
nosso conforto está diretamente ligado à
taxa de TC e, que essa rejeição ocorre.
3. Áreas de aplicação da transferência
de calor
http://dicassobresaude.com/o-frio-mata-20-vezes-
mais-que-o-calor-revela-estudo/
https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&ved=0ahUKEwio1Iqch83
MAhUHHJAKHc66Ct0QjhwIBQ&url=http%3A%2F%2Fwww.altenburg.com.br%2Fblog%2Ftag%2Fco
mo-aplacar-o-calor%2F&psig=AFQjCNF6eCgPiRF8ZUba7Vk9Vb20kDW3xA&ust=1462885422376124
3. Áreas de aplicação da transferência
de calor
Muitos utensílios domésticos são concebidos, totalmente ou em
parte, considerando os princípios da TC:
3. Áreas de aplicação da transferência
de calor
Muitos utensílios domésticos são concebidos, totalmente ou em
parte, considerando os princípios da TC:
3. Áreas de aplicação da transferência
de calor
Casa energeticamente eficientes são projetadas de forma a
minimizar a perda de calor no inverno e ganhar calor no verão.
Vídeo Casa eficiente
3. Áreas de aplicação da transferência
de calor
 A TC representa um importante papel no projeto de muitos
outros dispositivos, como radiadores de carro, coletores de
energia solar, diversos componentes de usinas elétricas e até
naves espaciais.
 A melhor espessura de isolamento térmico para paredes e
telhados, canos de água quente ou de vapor ou aquecedores de
água é, novamente determinada com base na análise da TC,
aliada às considerações econômicas.
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3. Áreas de aplicação da transferência
de calor
4. Contexto histórico
O calor sempre foi percebido como algo que produz uma
sensação de aquecimento, mas ninguém poderia imaginar que a
sua natureza foi um dos primeiros conceitos entendidos pela
humanidade.
Calórico
Superfície de contato
Corpo frio
Corpo quente
No inicio do século XIX, o calor
foi concebido de forma a ser um
tipo de fluido invisível,
denominado calórico, que fluía do
corpo mais quente para o mais
frio.
4. Contexto histórico
A teoria do calórico defendia que o calor era
um tipo de substância fluida, incolor, inodora,
insípida e que podia fluir de um corpo para
outro.
Todavia, foram os experimento cuidadosamente
realizados e publicados em 1943, que
finalmente convenceram os céticos de que o
calor não era afinal uma substância, pondo um
fim à teoria do calórico.
James. P. Joule 
(1818-1889)
Figura 1 - Experimento de Joule.
4. Contexto histórico
 Definição:
 Um corpo nunca contém calor!
Forma de transferência de energia através da fronteira
de um sistema numa dada temperatura, a outro sistema
(ou ambiente), que apresenta uma temperatura
inferior, em virtude da diferença entre as temperaturas
dos dois sistemas.
5. Calor e outras formas de energia
Energia pode existir de numerosas formas, como térmica,
mecânica, elétrica, magnética e química e nuclear, e a soma
delas constitui a energia total E (ou e por unidade de massa do
sistema).
As formas de energia relacionadas com a estrutura molecular
de um sistema e com o grau de atividademolecular são
chamadas de energia microscópica.
A soma de todas as formas microscópicas de energia é
denominada energia interna U do sistema (ou u por unidade de
massa)
5. Calor e outras formas de energia
Energia pode existir de numerosas formas, como térmica,
mecânica, elétrica, magnética e química e nuclear, e a soma
delas constitui a energia total E (ou e por unidade de massa do
sistema).
As formas de energia relacionadas com a estrutura molecular
de um sistema e com o grau de atividade molecular são
chamadas de energia microscópica.
A soma de todas as formas microscópicas de energia é
denominada energia interna U do sistema (ou u por unidade de
massa)
5. Calor e outras formas de energia
A unidade de energia no Sistema Internacional (SI) é o joule (J)
ou quilojoule (kJ =1000J).
No sistema inglês, a unidade de energia é o British termal unit
(Btu), definida como a energia necessária para elevar a
temperatura em 1º F de 1 lbm de água a 60 ºF.
As magnitudes de 1 kJ e 1 Btu são praticamente as mesmas (1
Btu=1,055056 kJ)
A caloria (1 cal= 4,1868 J), definida como energia necessária
para aumentar a temperatura em 1 ºC de 1 grama de água a
14,5 ºC
5. Calor e outras formas de energia
Calor especifico: energia necessária para aumentar a
temperatura em um grau de uma unidade de massa de uma dada
substância.
Calor Sensível: provoca apenas a variação da temperatura do
corpo.
Calor Latente: quantidade de calor que a substância troca
por grama de massa durante a mudança de estado físico. É
representado pela letra L, a unidade é (cal/g).
5. Calor e outras formas de energia
TmcQ 
m
Q
L 
 Exemplo1 – Aquecimento de uma esfera de cobre
Uma esfera de cobre de 10 cm de diâmetro deve ser aquecida
de 100 ºC até uma temperatura média de 150 °C em 30 min.
Admitindo que os valores médios da densidade e do calor
especifico da esfera são ρ=8950 kg/m3 e cp=0,395 kJ/kg.ºC,
respectivamente, determine:
(a) A quantidade total do calor transferido para a esfera de
cobre;
(b) A taxa média do calor transferido para a esfera de cobre;
(c) O fluxo médio de calor
Exercícios
 Exemplo1 – Aquecimento de uma esfera de cobre
Discussão: Note que o fluxo de calor pode variar com a
posição na superfície. O valor obtido acima é o fluxo de calor
médio sobre toda a superfície da esfera.
Exercícios
6. Mecanismos de TC
Condução: é a transferência de energia radiante resultante da
interação de partículas de maior energia de uma substância com
partículas adjacentes de menor energia;
Condução
A condução pode ocorrer em sólidos, líquidos e gases.
wagnerfisica1000.blogspot.com.br/2012/05/propagacao-de-calor-
conducao-conveccao.html
6. Mecanismos de TC
Condução
Em líquidos e gases, a condução deve-se às colisões e difusão
das moléculas em seus movimentos aleatórios.
Nos sólidos é devido à combinação das vibrações das moléculas
em uma rede e a energia é transportada por elétrons livres.
A taxa de condução de calor através de um meio depende da
geometria deste, sua espessura, o tipo de material e da diferença
de temperatura a que este meio está submetido.
6. Mecanismos de TC
6. Mecanismos de TC
• Considere a condução de calor em regime
permanente através de uma grande parede plana de
espessura ∆x=L e área A.
• A diferença de temperatura através da parede é ∆T=
T2- T1.
A taxa de condução de calor através de uma camada
plana é proporcional à diferença de temperatura através
da camada e à área de transferência de calor, mas
inversamente proporcional à espessura da camada.
)(
) )((
 
Espessura
atemperaturdeDiferençaÁrea
calordeconduçãodeTaxa 
6. Mecanismos de TC x
TkA
x
TTkA
Qcond






)( 21
Onde a constante de proporcionalidade k é a condutividade
térmica do material, que é a medida da capacidade do material de
conduzir calor.
6. Mecanismos de TC
No caso limite de ∆x→0, a equação se reduz à
forma diferencial, dx
kAdT
Qcond 
Lei de Fourier
dt/dx é o gradiente de temperatura Joseph Fourier
(1768-1830) A
Q
qcond

 
A taxa de transferência de calor por unidade de
área normal à direção da TC é denominada
Fluxo de Calor
6. Mecanismos de TC
2
2
/ 4
 6
 24
mW
m
W
A
Q
qcond 


Taxa de transferência de calor (W/m2 ).
Constante proporcionalidade (k)
Condutividade térmica (W/m.K).
6. Mecanismos de TC
Exemplo 5. O custo da perda de calor através do telhado
O telhado de uma casa com aquecimento elétrico possui 6 m de
comprimento. 8 m de largura e 0,25 m de espessura e é feito de
uma camada plana de concreto cuja condutibilidade térmica é
k= 0,8 W/m.ºC.
As temperaturas das faces interior e exterior do telhado,
medidas em uma noite, são 15 ºC e 4 ºC, respectivamente,
durante um período de 10 horas. Determine (a) a taxa de perda
de calor através do telhado naquela noite e (b) o custo dessa
perda de calor para o proprietário, se o custo da eletricidade é de
US$ 0,08/kWh.
6. Mecanismos de TC
Exemplo 5. O custo da perda de calor através do telhado
Discussão: O custo para o proprietário da casa referente à perda
de calor do forro naquela noite foi de US$1,35. O total da conta
de aquecimento deverá ser muito maior, uma vez que perdas de
calor pelas paredes não foram consideradas nos cálculos.
Referência:
ÇENGEL, Y. A. Transferência de Calor e Massa.