UNIVERSIDADE FEDERAL DO TOCANTINS

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO TOCANTINS
ENGENHARIA DE ALIMENTOS
OPERAÇÕES UNITÁRIAS II
CILENE MENDES REGES
DIFUSIVIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO
ANTONINA MADALENA SANTANA PONTES
PALMAS-TO
SETEMBRO-2017
DIFUSIVIDADE TÉRMICA
CONCEITO
	A transferência de calor está envolvida no projeto de equipamentos de refrigeração, aquecimento e armazenamento de alimentos. Esta propriedade é essencial para a simulação durante o congelamento no interior de um alimento, bem como o aquecimento no interior do mesmo. O conhecimento deste coeficiente é de fundamental importância para a indústria, pois sem esta propriedade termofísica não seria possível calcular a transferência de calor nas substâncias.
	A relação entre a habilidade de conduzir e armazenar energia de um material é conhecida como difusividade térmica. A difusividade térmica de um material é influenciada pelo conteúdo de água, pela temperatura, pela composição e pela porosidade. Como em muitos processos, o conteúdo de água e a temperatura de um produto podem variar, consideravelmente, o valor da difusividade térmica também pode variar.
	Muitos produtos alimentícios não são homogêneos e a difusividade térmica pode variar de um local para outro dentro do mesmo produto. Vários modelos empíricos úteis na predição da difusividade térmica de alimentos existem na literatura.
	A difusividade térmica é uma importante propriedade de transporte necessária na modelagem e nos cálculos de transferência de calor transiente em operações básicas de processamento de alimentos, como a secagem, o processamento térmico, o resfriamento e o congelamento.
MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO E ESTIMATIVA
	Materiais com alto valor de difusividade térmica respondem rapidamente a mudanças térmicas em seu ambiente, enquanto materiais de pequenos valores de α respondem mais lentamente, demorando a alcançar um novo estado de equilíbrio (INCROPERA E WITT, 1996), como é mostrado na Equação 1:(Equação 1)
	Onde:
	α – Difusividade térmica (m²/s);
	K – Condutividade térmica (W/m.K);
	ρ – Densidade (Kg/m³);
	cp – Calor específico (J/Kg.K). 
	
	Na literatura apresentam-se vários modelos empíricos, a maioria desses modelos é específica ao produto estudado. Riedel (1969) apud Queiroz (2001) propuseram um modelo (Equação 2) que permite predizer a difusividade térmica de uma grande variedade de produtos alimentícios em função da difusividade térmica da água e do conteúdo de água (base úmida) na temperatura desejada:
	α = 0,088*10-6+ (αα – 0,088*10-6 )*CA(Equação 2)
	Onde:
	α – Difusividade térmica (m²/s);
	αα – Difusividade térmica da água (m²/s);
	CA – Conteúdo de água (base úmida (%)).
	
	Martens (1980) apud Queiroz (2001) investigou a influência da água, da gordura, da proteína, do carboidrato e da temperatura na difusividade térmica de alimentos (Equação 3). Usando análises estatísticas, Martens (1980) verificou que a temperatura e o conteúdo de água são os fatores de maior influência sobre a difusividade térmica. A variação da fração sólida de gordura, da proteína e do carboidrato teve uma pequena influência sobre a difusividade térmica. Regressões múltiplas foram aplicadas em 246 valores publicados de difusividade térmica e a seguinte equação em função do conteúdo de água (base úmida) e da temperatura foi obtida:(Equação 3)
	α = [0,057363*CA+*(T+273)]*10-6 
	Onde:
	α – Difusividade térmica (m²/s);
	T – Temperatura (°C);
	CA – Conteúdo de água (base úmida (%)).
	Singh (1982) apud Queiroz (2001) apresenta uma revisão de algumas importantes abordagens usada na determinação da difusividade térmica de alimentos. Entre os métodos experimentais, destacaram-se quatro técnicas mais utilizadas: estimação dos mínimos quadrados e uso de curvas de penetração de calor, uso de cartas de tempo-temperatura e uso de soluções analíticas.
	Muitos pesquisadores aplicaram soluções para curvas de aquecimento ou resfriamento de corpos de diferentes geometrias sob várias condições e determinaram a difusividade térmica. Estas soluções encontram um amplo uso na indústria de enlatados. A base do método é a relação exponencial entre a mudança da temperatura do produto e o tempo após certo período de aquecimento, frequentemente chamado de período “lag”. A inclinação resultante da reta do gráfico da temperatura, em função do tempo em escala semi logarítmica é usada para determinar a difusividade térmica (REIDY E RIPPEN, 1971).
BASE DE DADOS
	Valores de Difusividade Térmica de alguns alimentos, estão dispostos no Quadro 1. 
CALOR ESPECÍFICO
CONCEITO
	O calor específico é a quantidade de calor que deve ser fornecida para que 1 g de substância tenha a sua temperatura elevada em 1°C. Cada substância possui um determinado valor de calor específico, que é geralmente expresso em cal/g.°C.
	Quanto maior for o calor específico de uma substância, maior será a quantidade de calor que deverá ser fornecida ou retirada dela para que ocorram variações de temperatura. A água, quando comparada com várias outras substâncias, possui o maior calor específico, que corresponde a 1 cal/g.ºC.
 A tabela a seguir indica o calor específico de algumas substâncias.
	Fontes: Brasil Escola. Disponível em <http://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-calor-especifico.htm>.
	Pode ser observado na tabela acima que o calor específico da areia é cinco vezes menor que o da água. Enquanto cada grama de areia precisa de apenas 0,2 cal para variar a sua temperatura em 1°C, a água precisa de 1 cal para executar a mesma tarefa. Compreendemos aqui a razão pela qual durante o dia a areia da praia apresenta-se em uma temperatura superior à da água.
MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO E ESTIMATIVA
Fatores que influenciam o calor específico: 
• Forças intermoleculares: Quanto maior for a força de ligação intermolecular da substância, maior será a energia necessária para o rompimento das ligações e efetiva transformações do material. Geralmente, substâncias que possuem ligações de hidrogênio em sua estrutura possuem elevado calor específico. 
• Impurezas: Impurezas presentes em materiais diversos podem alterar o valor do calor específico da substância 
Métodos de determinação e estimativa: 
	Existem diversas técnicas para a medição do calor específico de uma substância, uma delas utiliza um calorímetro contendo água, numa temperatura conhecida, e neste sistema é introduzido, numa dada temperatura, um corpo feito da substância cujo calor específico se deseja medir. Após a medição da temperatura de equilíbrio do sistema, um balanço nas transferências de calor possibilita determinar o calor específico da substância do corpo imerso. Este experimento é descrito em praticamente todos os livros que tratam de termodinâmica básica. E o valor do calor específico da substância investigada é obtido utilizando-se a equação 
que dá o balanço de calor: “o calor absorvido é igual ao calor cedido”. Alguns destes livros observam, entretanto, que parte do calor disponível é transferido para o meio ambiente, o que acarreta erros experimentais. Mesmo com erros, uma vez conhecida uma estimativa razoável do calor específico, o experimento poderia ser refeito impondo-se a condição de que o sistema água/calorímetro tenha uma temperatura previamente determinada, abaixo da temperatura ambiente, de forma a compensar perdas na parte final do processo. 
	Quando há troca de calor entre dois ou mais corpos ocorre a variação de temperatura de ambos. Este calor trocado pode ser expresso como: 
Q = mcΔT 
m = massa do corpo 
c = calor específico do material 
ΔT = variação de temperatura 
	Ao fornecermos calor a uma substância dentro do calorímetro, ambos absorvem calor e embora este último não seja aquecido como a substância em estudo, damos um tratamento semelhante. 
Qf = Qs + Qc 
Qf = Calor fornecido 
Qs = Calor absorvido pela substância = mcΔT 
Qc = Calor absorvido pelo calorímetro = CΔT 
	Uma outra técnica de medição do calor específico de um corpo não usa calorímetro,e parte do pressuposto de que o sistema vai perder calor continuamente para o meio ambiente, levando esse fato em consideração. Para usar esta técnica é necessário conhecer “como” o sistema perde calor para o meio ambiente antes e após a imersão do corpo investigado, o que é possível através da aplicação da “lei de resfriamento de Newton”. A ideia básica é utilizar um recipiente com água, numa dada temperatura e, na água, colocar o corpo cuja temperatura tenha sido previamente medida. A partir deste instante deve-se medir, em intervalos regulares de tempo, a temperatura do sistema. Existem pelo menos duas formas experimentais básicas que utilizam a lei de resfriamento de Newton para a determinação do calor específico de uma substância. Na primeira delas o processo de imersão seguido das leituras de temperaturas é feito duas vezes: uma para um corpo padrão, de calor específico conhecido, e outra para o corpo cuja substância se deseja determinar o calor específico. Uma outra forma de utilização da lei do resfriamento de Newton procura determinar a temperatura do sistema imediatamente antes da imersão do corpo, e também a temperatura do sistema logo após a migração interna de calor devido à imersão. Neste caso é pressuposto que o arranjo experimental seja tal que as migrações internas de calor devido à imersão possam ser consideradas suficientemente rápidas, de tal forma a se identificar uma “temperatura final de equilíbrio”. Identificada esta temperatura, a equação de balanço de calor pode ser utilizada para a determinação do calor específico.
Para calcular o calor específico das substâncias utiliza-se a seguinte fórmula:
c = Q/m. Δθ ou c = C/m
Onde,
c: calor específico (cal/g.°C ou J/Kg.K)
Q: quantidade de calor (cal ou J)
m: massa (g ou Kg)
Δθ: variação de temperatura (°C ou K)
C: capacidade térmica (cal/°C ou J/K)
	No Sistema Internacional (SI), o calor específico é medido em J/Kg.K (Joule por quilograma e por Kelvin). No entanto, é muito comum ser medido em cal/g.°C (caloria por grama e por grau Celsius).
1 cal = 4,186 J
BASE DE DADOS
INCROPERA, FRANK P.; DEWITT, DAVID P.: Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 4ª Edição, Apêndice A, 1998, LTC Editora. 
FOUST, A.S. et al. Princípios de operações unitárias, 2ª Edição, Apêndice D.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DA SILVA, Wilton Pereira et al. Medida de calor especifico e Lei de Resfriamento de Newton: um refinamento na análise dos dados experimentais. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25, n. 4, p. 392 – 398, 2003.
Determinação do calor específico de um material. Disponível em: http://www.dfq.pucminas.br/apostilas/F%C3%ADsca2_Barreiro/praticafis2-BARR-5-CESPEC%C3%8DFICO.htm. Acesso em 01 de Set. de 2017.
DIFUSIVIDADE TÉRMICA. In: WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Flórida: Wikimedia Foundation, 2017. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Difusividade_t%C3%A9rmica&oldid=48982313>. Acesso em: 01 de Set. de 2017.
ESALQ. Difusividade térmica. Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz –USP. Disponível em: <www.esalq.usp.br>. Acesso em 23 de agosto de 2017.
INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentos de transferência de calor e de massa. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan, 1992. 380p.
TRES, M. V et al. Determination of Thermal Diffusivity of foods: Experimental Measurements and Numerical Simulation. PERSPECTIVA, Erechim. v.35, n.131, p. 43-56, setembro/2011.
UTFPR. Difusividade Térmica. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Disponível em: <www.paginapessoal.utfpr.edu.br>. Acesso em 23 de agosto de 2017.