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INTRODUÇÃO À TERMODINÂMICA RADIAÇÃO Prof. Aloisio Ribeiro e-mail: aloisio.ribeiro@newtonpaiva.br RADIAÇÃO: CONCEITOS FUNDAMENTAIS: Considere um sólido que se encontra inicialmente a uma temperatura mais elevada Ts do que a de uma vizinhança Tvis, mas ao redor do qual há vácuo (figura abaixo). A presença do vácuo impede a perda de energia na superfície do sólido por condução ou convecção. Contudo, nossa intuição nos diz que o sólido irá esfriar e finalmente atingir o equilíbrio térmico com a vizinhança. Esse resfriamento está associado a uma redução na energia interna armazenada pelo sólido e é uma consequência direta da emissão de radiação térmica pela sua superfície. Por sua vez, a superfície irá interceptar e absorver radiação originada na vizinhança. Entretanto, se Ts>Tviz a taxa de transferência de calor por radiação líquida, qrad,liq, está saindo da superfície e a superfície esfriará até que Ts, atinja Tviz. Nós associamos a radiação térmica à taxa na qual a energia é imitida pela matéria como um resultado de sua temperatura não-nula. Nesse momento, radiação térmica está sendo emitida por toda matéria e circunda você: pela mobília e pelas paredes da sala, se você está em um ambiente fechado, ou pelo solo, pelos prédios e pela atmosfera e sol, se você está em um ambiente aberto. O mecanismo da emissão está relacionado à energia liberada como um resultado de oscilações ou transições dos muitos elétrons que constituem a matéria. Essas oscilações são, por sua vez, sustentadas pela energia interna e, consequentemente pela temperatura da matéria. Assim associamos a emissão de radiação térmica às condições excitadas termicamente no interior da matéria. Todas as formas de matéria emitem radiação. Em gases e sólidos semitransparentes, como o vidro e cristais de sais a elevadas temperaturas, a emissão é um fenômeno volumétrico, como ilustrado na figura abaixo. Em (a) como um fenômeno volumétrico e em (b) fenômeno superficial. Isto é, a radiação que emerge de um volume finito de matéria corresponde ao efeito integrado da emissão local em todo o volume. Entretanto, vamos concentrar em situações nas quais a radiação é um fenômeno de superfície. Na maioria dos sólidos e líquidos, a radiação emitida pelas moléculas localizadas no interior do volume é em grande parte absorvida pelas moléculas a elas adjacentes. Consequentemente, a radiação que é emitida por um sólido ou de um líquido para o interior de um gás a eles adjacente ou para o vácuo é vista como um fenômeno superficial, exceto em situações envolvendo dispositivos em nano ou microescala. Sabemos que a radiação surge da emissão pela matéria e que o seu transporte subsequente não exige a presença de qualquer matéria. Mas qual é a natureza desse transporte? Uma teoria vê a radiação como a propagação de um conjunto e partículas conhecidas por fótons ou quanta. Alternativamente, a radiação pode ser vista como a propagação de ondas eletromagnéticas. Em qualquer caso, desejamos atribuir para a radiação as propriedades de ondas padrões de frequência . E de comprimento de onda ... Para a radiação se propagando em um determinado meio, as duas propriedades estão relacionadas por: Onde C é a velocidade da luz no meio. Para a propagação no vácuo, Co=2,998x10 8m/s. A unidade de comprimento de onda é comumente o micrômetro O espectro eletromagnético completo está delineado na figura Abaixo: As radiações de pequeno comprimento de onda raios gama, raios X e ultravioleta (UV) são principalmente de interesse dos físicos de altas energias e dos engenheiros nucleares, enquanto as microondas e as ondas de rádio, que possuem grandes comprimentos de onda (lâmbida>105micrometros), são de interesse dos engenheiros eletricistas. É a porção intermediária do espectro, que se estende aproximadamente de 0,1 até 100 micro metros e que inclui uma fração da UV e todo o visível e o infravermelho (IV), que é a chamada de radiação térmica, porque é a causada e porque afeta o estado térmico ou a temperatura da matéria. Por essa razão, a radiação térmica é pertinente à transferência de calor. A radiação térmica emitida por uma superfície inclui uma faixa de comprimentos de ondas, como mostrado na figura (a) abaixo, a magnitude da radiação varia com o comprimento de onda. Como poderemos ver, tanto a magnitude da radiação em qualquer comprimento de onda quanto a distribuição espectral variam com a natureza e a temperatura da superfície emissora. INTENSIDADE DE RADIAÇÃO: A radiação que deixa uma superfície pode se propagar em todas as direções possíveis, e frequentemente estamos interessados em conhecer a sua distribuição direcional. Também, a radiação que incide sobre uma superfície pode vir de diferentes direções e a maneira pela qual a superfície responde a essa radiação depende da direção. Tais efeitos direcionais podem ser de principal importância na determinação da taxa de transferência de calor radiante líquida e podem ser tratados com a introdução do conceito de intensidade de radiação. MODELO DE RADIAÇÃO A radiação é um fenômeno superficial em que o calor emitido de acordo com a temperatura superficial do material (Figura abaixo). A energia do campo de radiação é transportada por ondas longas eletromagnéticas. Enquanto a transferência de calor por condução e convecção requer a presença de um meio material (sólido ou fluído), a radiação ocorre no vácuo, sem precisar de meio A taxa na qual a energia é liberada por unidade de área (W/m2) é conhecida também como poder emissivo, que é previsto pela Lei de Steffan-Boltzmann onde Tsup deve ser considerada em unidades absolutas (K) e σ é a constante de Steffan-Boltzmann (σ = 5,67 x 10-8 W/m2 K4). A emissividade (ε) é uma propriedade radiante da superfície que define uma relação entre a capacidade de emissão do material comparado com um componente ideal, conhecido como corpo negro (0 ≤ ε ≤ 1). Ela depende do tipo de material usado na superfície, seu acabamento e sua cor. Onde E é uma propriedade radiante da superfície conhecida por emissividade E essa propriedade fornece uma medida da eficiência na qual uma superfície Emite energia em relação ao corpo negro. Ela depende fortemente do material Da superfície e de seu acabamento. BALANÇO ENERGÉTICO O balanço de energia na envolvente da edificação tem como base a primeira lei de termodinâmica, a lei da conservação de energia. Esta lei estabelece que a quantidade de energia térmica (calor) que entra em um volume de controle - no caso a envolvente (Ea), mais a quantidade de calor gerada no interior do volume (Eg), menos a quantidade de energia que deixa o volume (Es) deve ser igual ao aumento da quantidade de energia armazenada (Ear) no volume de controle (Figura abaixo). O alcance da disciplina não considera o estudo de mecanismos de geração de calor na envolvente. Esta simplificação permite estabelecer o balanço energético como a diferença entre a energia que ingressa e sai da envolvente deve ser igual à variação de energia (calor armazenado ou liberado) no interior da envolvente. Para resolver problemas de transferência de calor, a palavra chave é balanço energético e recomenda-se utilizar o seguinte esquema de resolução: Modelo: Organize todos os dados do seu problema (revise as unidades). Realize um esquema gráfico identificando o ponto ou volume de controle (nó ou envolvente) e os fenômenos físicos que participam nele. Verifique se suas hipóteses são válidas. Objetivo: Identifique as grandezas físicas a determinar. Lei geral: Estabeleça o balanço energético identificando seus componentes no modelo gráfico. Leis particulares: Para cada componente,identificar o tipo de lei que o representa (Fourier, Newton ou Steffan-Boltzmann) e desenvolva a equação de balanço com as relações correspondentes. Solução: Substitua as variáveis pelos valores numéricos (dados) e execute os cálculos necessários. Discussão: Questione os resultados obtidos. Analise se eles são coerentes com a proposta do problema. Exemplo: Uma tubulação de vapor d´água sem isolamento térmico atravessa uma sala na qual o ar e as paredes se encontram a 25ºC. O diâmetro externo do tubo é de 70mm, a temperatura de sua superfície é de 200ºC e esta superfície tem emissividade igual a 0,8. Quais são o poder emissivo da superfície e a sua irradiação?. Achar: Poder emissivo da superfície e irradiação.
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