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Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar o estilo do subtítulo mestre * * * CONDUÇÃO * * * Transferência de calor “Transferência de calor (ou calor) é energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperaturas no espaço” (Incropera et al., 2008). Mecanismos: Condução. Convecção. Radiação. * * * Importância da condução Fonte: http://www.mecanicaonline.com.br/2007/05/engenharia/bmw_motor.html Fonte: http://forum.hardmob.com.br/showthread.php?t=207196 * * * Importância da condução Fonte: http://www.fatork.com.br/produtos.htm Fonte: http://www.cosipa.com.br * * * Definição A condução é o modo de transferência de calor em que há troca energética devido a um gradiente de temperatura no corpo, pelo movimento cinético ou pelo impacto de moléculas (no caso de um fluido em repouso) ou pelo movimento de elétrons livres (em metais). * * * Estudo da condução Métodos analíticos. Métodos experimentais. Métodos numéricos. * * * Equação da taxa de condução (Lei de Fourier) Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Equação da taxa de condução (Lei de Fourier) Fonte: Incropera et al. (2008) (taxa) (fluxo) * * * Condutividade térmica Normalmente determinada a partir da Lei de Fourier. Em geral: Depende do material, do estado físico e da temperatura. * * * Condutividade térmica Propriedade térmica do material Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Condutividade térmica Fonte: Incropera et al. (2008) Sólidos Líquidos saturados Gases a pressões normais * * * Outras propriedades relevantes Massa específica: Calor específico: Difusividade térmica: * * * Equação da difusão de calor (coord. cartesianas) Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Equação da difusão de calor (coord. cartesianas) Balanço de energia: * * * Equação da difusão de calor (coord. cartesianas) Dividindo a equação por: Aplicando o limite: Da Lei de Fourier generalizada: * * * Equação da difusão de calor (coord. cilíndricas) Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Equação da difusão de calor (coord. esféricas) Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Condições de contorno Temperatura da superfície constante (Dirichlet). Fluxo térmico na superfície constante (Neumann). Condição de convecção na superfície (Robin). Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Possíveis simplificações da equação de difusão do calor Condução 1DP, prop. constantes, sem geração. Condução 1DP, prop. constantes, com geração. * * * Possíveis simplificações da equação de difusão do calor Condução 2DP, prop. constantes, sem geração. Condução 1D, prop. constantes, transiente, sem geração. * * * Condução de calor 1DP Hipóteses: Condução de calor 1D em regime permanente. Propriedades térmicas constantes. Coordenadas cartesianas (parede plana). Sem geração de calor. Integrando duas vezes, obtém-se: * * * Condução de calor 1DP Condições de contorno (Dirichlet): 1ª condição: 2ª condição: * * * Condução de calor 1DP Condições de contorno (Neumann): 1ª condição: 2ª condição (da 1ª integração): * * * Condução de calor 1DP Exercício: Altere as condições de contorno anteriormente utilizadas para: Fonte: Incropera et al. (2008), adaptado. Dica: Obtenha a temperatura em x = L, a partir do fluxo de calor. * * * Condução de calor 1DP Taxa de condução e fluxo térmico: (Taxa) (Fluxo) Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Condução de calor 1DP Fluxo térmico – Analogia de circuitos: (Lei de Ohm) (Lei de Fourier) Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Condução de calor 1DP Fluxo térmico – Analogia de circuitos: (condução – parede plana) (convecção) * * * Condução de calor 1DP Fluxo térmico – Paredes compostas: Fonte: Incropera et al. (2008) * * * Condução de calor 1DP Resistência térmica de contato: Atribuída, principalmente, aos efeitos da rugosidade existente entre superfícies. Pode ser minimizada através do uso de graxas, metais moles e ceras (entre outros), que possuam condutividade térmica elevados. Fonte: Incropera et al. (2008) Fonte: http://www.inforlandia.pt/forum/viewtopic.php?p=87137&sid=88510d2bd1e68b6fb356b82ffe6fd294 * * * Condução de calor 1DP Exemplo: Humanos são capazes de controlar suas taxas de produção e de perda de calor para manter aproximadamente constante a sua temperatura corporal de Tc = 37ºC sob uma ampla faixa de condições ambientais. Com a perspectiva de calcular a transferência de calor entre um corpo humano e sua vizinhança, foca-se em uma camada de pele e gordura, cuja temperatura interna encontra-se um pouco abaixo da temperatura corporal, Ti = 35ºC=308 K. Considere uma pessoa com uma camada de pele/gordura com espessura L = 3 mm e com condutividade térmica efetiva k = 0,3 W/mK. * * * Condução de calor 1DP (continuação): Para reduzir a perda de calor, a pessoa veste roupas especiais esportivas (casaco para neve e umidade) feitas com um isolante de aerogel de sílica nanoestruturado com condutividade térmica extremamente baixa, igual a 0,014 W/mK. A emissão da superfície externa do casaco é 0,95 e sua superfície é de 1,8 m2. Qual é a espessura de isolante de aerogel necessária para reduzir a taxa de perda de calor para 100W (uma taxa de geração de calor metabólica típica) no ar e na água (vizinhança), ambas a 10ºC e com coeficientes convectivos iguais a 2 W/m2K e 200 W/m2K, respectivamente? Qual é a temperatura resultante da pele, em ambos os casos? * * * Condução de calor 1DP Dados: Temp. superficial interna e espessura da camada pele/gordura; condutividade térmica e área superficial conhecidas. Condutividade térmica e emissividade do casaco. Condições ambientais. Pede-se: Espessura do isolante; temperatura da pele. Esquema: * * * Condução de calor 1DP Hipóteses: Regime permanente. Transf. de calor 1D por condução. Resistência de contato desprezível. Circuito: * * * Condução de calor 1DP Solução: Resistência térmica total: * * * Condução de calor 1DP Solução: Ar: Utilizando-se um valor de Ts = 300 K e * * * Condução de calor 1DP Solução: Ar: * * * Condução de calor 1DP Solução: Ar: Recalculando hr: Água: hr=0 * * * Condução de calor 1DP Solução: Água: Temperatura da pele: * * * Condução de calor 1DP Exemplo: Um fino circuito integrado (chip) de silício e um substrato de alumínio com 8 mm de espessura são separados por uma junta epóxi com 0,02 mm de espessura. O chip e o substrato possuem, cada um, 10 mm de lado, e suas superfícies expostas são resfriadas por ar, que se encontra a uma temperatura de 25ºC e fornece um coeficiente convectivo de 100 W/m2K. Se o chip dissipa 104 W/m2 em condições normais, ele irá operar abaixo da temperatura máxima permitida de 85ºC? Dados: Dimensões, dissipação de calor e temperatura máxima permitida para um chip. Espessuras do substrato de alumínio e junta epóxi. Condições convectivas nas superfícies expostas. * * * Condução de calor 1DP Pede-se: A temperatura máxima é excedida? Hipóteses: Regime estacionário. Condução 1D (transf. de calor desprezível pelas laterais do sistema). Resistência térmica no chip desprezível. Prop. constantes. Troca radiante com a vizinhança desprezível. * * * Condução de calor 1DP Esquema/Circuito: Propriedades: Tabela A.1 (apêndice), alumínio puro * * * Condução de calor 1DP Solução: Balanço de energia: Para estimar Tc de forma conservativa, utiliza-se o valor máximo possível de (Tabela 3.2): * * * Condução de calor 1DP Solução: Temperatura do chip: O chip irá operar abaixo da sua temperatura máxima permitida DEMEC- UFPR DEMEC- UFPR
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