Propagação do calor

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Transferência de Calor
Transferência do Calor
• Quando existe uma diferença de temperatura entre dois
corpos ou entre as partes de um mesmo corpo, ocorre a
transferência de calor;
• O sentido dessa transferência de calor se dá
espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de
menor temperatura;
Processos de transferência do calor
• O processo de transferência de calor pode ocorrer de três
maneiras distintas:
1. Por condução
2. Por convecção
3. Por irradiação
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Fluxo de Calor (Φ = fi)
• Seja S uma superfície localizada na região onde ocorre a
propagação de calor.
• O fluxo de calor (Φ) através da superfície S é dado pela
relação entre a quantidade de calor Q que atravessa a superfície
e o intervalo de tempo ∆t decorrido;
t
Q
∆
=Φ
Unidades de (Φ) :
• Cal/s
• J/s
Transferência de Calor por Condução
• Para ocorrer a condução, deve existir um meio material;
• É a energia que se propaga, as partes do corpo não se
deslocam, havendo apenas transmissão da agitação molecular;
• Algumas substâncias, como os
metais, conduzem rapidamente o
calor, isto é, são bons condutores
térmicos;
• Outras, como a madeira, a lã e o
ar, conduzem mal o calor, por
isso são denominadas isolantes
térmicos;
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Aplicações da Transferência de Calor por Condução
• Quando a temperatura do ambiente é baixa, a transferência
ocorre rapidamente, e isto, nos faz sentir frio;
• Os agasalhos, feitos de materiais maus condutores de calor,
reduzem consideravelmente esta transferência, acabando com a
sensação de frio;
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Lei da condução térmica
• Uma barra tem uma extremidade em contato com um
recipiente no qual circula vapor de água em ebulição, a 100°C, e
a outra extremidade em contato com um recipiente contendo
gelo em fusão, a 0 °C.
• Após certo tempo se estabelece o regime estacionário de
condução;
• No regime estacionário, a temperatura
varia de um extremo a outro,
uniformemente, como indica o gráfico;
Lei da condução térmica
• Em regime estacionário, o fluxo de calor por condução num
material homogêneo é diretamente proporcional a área da
secção transversal atravessada e a diferença de temperatura
entre os extremos, e inversamente proporcional a espessura da
camada considerada;
e
AK θ∆
=Φ
..
K – coeficiente de condutibilidade térmica
( depende da natureza do material)
A – área de secção
∆θ – diferenca de temperatura
e - espessura
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Lei da condução térmica
• Materiais que são bons condutores térmicos possuem valores
altos de K ;
• Materiais isolantes térmicos possuem valores baixos de K ;
• Abaixo segue valores de K para alguns materiais;
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Transferência de Calor por convecção
• É a transferência de calor de uma região para outra por meio
de um fluido (líquidos e gases), subindo ou descendo;
• Esse movimento de subida e descida no fluido, ocorre em
virtude da diferença de densidade das partículas mais quentes e
mais frias. E recebe o nome de correntes de convecção;
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Transferência de Calor por convecção
• Os ventos em geral são correntes de convecção, originadas por
diferenças de temperatura entre duas regiões quaisquer da
atmosfera da Terra;
• As correntes de convecção na atmosfera, ao se moverem para
cima (ar mais quente), costumam ser aproveitadas por alguns
pássaros, aviões planadores (sem motor) e asas-delta para
ganharem altura, planando em seguida até encontrarem outra
corrente de convecção ascendente;
Transferência de Calor por convecção
• As pessoas que vivem nas proximidades do mar conhecem
bem as brisa marítimas e terrestres, ventos suaves que
sopram, durante o dia, do mar para a terra e, a noite, da terra
para o mar;
• Isso ocorre porque, durante o dia, ao receber radiações
solares, a terra se aquece mais rapidamente que a água do
mar, em virtude da diferença entre seus calores específicos;
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Transferência de calor por Irradiação (radiação)
• A transferência de calor por radiação é feita por meio de
ondas eletromagnéticas (raios infravermelhos), que podem se
propagar mesmo na ausência de um meio material (vácuo);
• Todos os objetos, a qualquer temperatura, irradiam calor
constantemente, e a intensidade dessas radiações é tanto maior
quanto maior for a temperatura do objeto emissor;
Transferência de calor por Irradiação (radiação)
• Quando a energia radiante incide na superfície de um corpo,
ela é parcialmente absorvida, parcialmente refletida e
parcialmente transmitida através do corpo;
• A parcela absorvida aumenta a energia de agitação das
moléculas constituintes do corpo (energia térmica);
• Da quantidade total de energia Qi incidente, é absorvida a
parcela Qa, reflete-se a parcela Qr e é transmitida a parcela Qt;
trai QQQQ ++=
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Transferência de calor por Irradiação (radiação)
• Para avaliar a proporção da energia incidente que sofre os
fenômenos de absorção, reflexão e transmissão, definimos as
seguintes grandezas adimensionais:
i
a
Q
Q
a =
absorvidade
i
r
Q
Q
r =
i
t
Q
Q
t =
refletividade transmissividade
• Se um corpo tem absorvidade a = 0,8 significa que 80% da
energia nele incidente foi absorvida. Os 20% restantes da
energia total devem se dividir entre reflexão e transmissão;
1=++ tra
Transferência de calor por Irradiação (radiação)
• Por definição, corpo negro é um corpo ideal que absorve toda
a energia radiante nele incidente. Decorre daí que sua
absorvidade é a = 1 (100%) e sua refletividade é nula (r = 0);
• O espelho ideal é um corpo que reflete totalmente a energia
radiante que nele incide, tendo absorvidade nula (a = 0) e
refletividade r = 1 (100%);
Lei de Stefan-Boltzmann
• Poder emissivo (E) de um corpo é a potência irradiada
(emitida) por unidade de área, sendo expressa por:
A
P
E =
Unidades de E :
• W/m2
• Cal/s.cm2
4
.TECN σ=
4
.. TeE σ=
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Aplicações da Irradiação
• Uma estufa de plantas tem paredes e teto de vidro
transparente a energia radiante proveniente do Sol. O chão da
estufa normalmente é pintado de preto ou de uma cor escura.
• A energia radiante que penetra através do vidro é absorvida
pelo fundo escuro e demais objetos do interior da estufa, sendo a
seguir novamente irradiada.
• Essa reemissão de energia se dá sob a forma de raios
infravermelhos de baixa frequência, que o vidro não deixa
passar. Em consequência, o interior da estufa permanece sempre
mais quente que o exterior.
Aplicações da Irradiação
• No mesmo princípio da estufa é baseado o coletor de energia
solar, utilizado no aquecimento central de água em residências;
• O coletor consta basicamente de um recinto de paredes de
vidro com fundo escuro. No seu interior está o encanamento que
conduz a água a ser aquecida;
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O efeito estufa
• A presença do dióxido de carbono (CO2), o mais abundante, do
óxido nitroso (N2O), do metano (CH4), de água e de outros gases,
na atmosfera, determina o efeito estufa;
• A Terra recebe, durante o dia, a energia radiante do Sol e
durante a noite irradia energia para o espaço. Entretanto as
substâncias citadas impedem que a superfície terrestre perca,
durante a noite, uma quantidade exagerada de calor para o
espaço, absorvendo e refletindo boa parte dessa radiação;
A garrafa térmica
•A garrafa é feita de vidro (mau condutor) com paredes duplas,
entre as quais e feito o vácuo. Assim, retirando-se moléculas
desse espaço, minimiza-se a ocorrência de condução.
• A convecção é reduzida ao mínimo por meio da vedação da
garrafa com uma tampa apropriada;
• As faces externa e interna da garrafa são espelhadas, a fim de
minimizar a irradiação, tanto de dentro para fora como de fora
para dentro;
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