Mecânica dos fluidos - Transferência de Calor

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1 – Como é que a ciência da transferência de calor difere da ciência termodinâmica?
A termodinâmica trabalha com estados termodinâmicos em equilíbrio e transformações de um estado de equilíbrio para outro. A transferência de calor, por sua vez, trabalha com sistemas que não estão em equilíbrio térmico. Estuda os mecanismos de transferência de calor e calcula o tempo para que a transferência ocorra, seu estudo se centra nas situações de desequilíbrio, onde há diferença de temperatura. Dessa forma, o estudo da transferência de calor não pode ser baseado apenas nos princípios da termodinâmica.
2 - Qual é a força motriz para (a) transferência de calor (b) corrente elétrica (c) escoamento de um fluido?
Diferença de temperatura
A corrente elétrica é causada por uma Diferença de potencial
Escoamento do fluido e devida a diferença de pressão.
3 - Qual é a teoria calórica? Quando e porque ela foi abandonada?
A teoria do calórico foi uma formulação surgida a fim de explicar a troca de calor entre os corpos, esta afirmava que o calor era uma substância e que seu fluxo (que acontecia como o fluxo de água que sai de um ponto mais alto a outro mais baixo) era o responsável pelo equilíbrio térmico que se observa entre corpos, outrora a temperaturas diferentes, quando postos em contato. 
Um dos trabalhos que começaram a por a baixo a teoria do calórico foram realizados por Conde de Rumford (Benjamin Thomson), quando de sua participação na guerra como Inspetor da fabricação de canhões. Ele percebeu que, quando os canhões eram furados com brocas mais grossas, estes sofriam um aumento de temperatura maior do que quando eles eram furados com brocas mais finas, ao contrário do que a teoria do calórico previa.
Teoria Calórica é uma teoria científica obsoleta que supunha a existência de um fluido invisível e inodoro, chamado calórico, que todos os corpos conteriam em quantidades determinadas em sua composição, que era denominado como o causador das alterações de temperatura até metade do século XIX. Quanto maior fosse a temperatura de um corpo, maior seria a sua quantidade de calórico, limitada, para cada corpo, a uma quantidade finita, ou seja, quando o calórico era adicionado a um corpo, sua temperatura aumentava, e, quando removido, sua temperatura diminuía. Quando um corpo não pudesse conter mais nenhum calórico, assim como quando um copo com água não pode dissolver mais nenhuma quantidade de sal ou açúcar, dizia-se que o corpo estava saturado de calórico. A teoria do calórico foi criticada logo após sua introdução. Ela sustentava que o calor era uma substância que não podia ser criada ou destruída. Contudo, já se sabia que o calor podia ser gerado indefinidamente ao esfregarmos as mãos ou dois pedaços de madeira.
4 - Qual a diferença entre a abordagem analítica e experimental da transferência de calor? Discutir as vantagens e desvantagens de cada abordagem.
A abordagem experimental (testando e tomando medidas) oferece a vantagem de trabalhar com o sistema físico real, e a quantidade desejada é determinada por medição dentro dos limites dos erros experimentais. No entanto, essa abordagem é cara, demorada e frequentemente impraticável. Além disso, o sistema em estudo pode nem mesmo existir. 
A abordagem analítica (incluindo a abordagem numérica) faz uso de operações e ferramentas matemáticas de conhecimento generalizado em cursos de engenharia a fim de determinar distribuições de temperatura, taxas de transferência de calor e outras quantidades de interesse, a utilização de métodos numéricos que, em resumo, permitem a transformação das equações diferenciais parciais, como aquelas vistas nos capítulos precedentes, resultantes de balanços de energia, em conjuntos de equações algébricas que serão resolvidas utilizando técnicas da álgebra linear juntamente com métodos computacionais.
 Apresentaremos dentro da abordagem analítica, o método da separação de variáveis, tem a vantagem de ser rápida e barata, no entanto os resultados obtidos estão sujeitos ao acerto das condições assumidas, das aproximações e das idealizações feitas na análise.
5 - Quais são os mecanismos de transferência de energia para um sistema fechado? Como a transferência de calor é distinguida das outras formas de transferência de energia? 
Radiação, condução e convecção.
Porque a transferência de calor de um corpo para outro ocorre mediante a diferença de temperatura entre eles. Assim, o calor flui do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.
6 - Definir condutividade térmica (k), calor específico (cp) e difusividade térmica (α). 
Condutividade térmica é a medida da capacidade do material de conduzir calor. Calor específico representa a capacidade de armazenamento de calor de um material por unidade de massa. Difusividade térmica representa a velocidade com que o calor se difunde por meio de um material.
7 - Considere as perdas de calor através de duas paredes de uma casa em uma noite de inverno. As paredes são idênticas, exceto que uma delas tem uma janela de vidro hermeticamente fechada. Através de qual parede a casa vai perder mais calor? Explique. 
A parede sem janela vai perder mais calor, já que a janela de vidro hermeticamente fechada é um excelente isolante e reduz a perda/ganho de calor.
8 - Alguma parte da energia do sol alcança a terra por condução ou convecção?
Não, pois somente a radiação pode ocorrer em espaço vazio, por ser ondas de natureza eletromagnéticas (e que viajam na velocidade da luz).
9 - O que é a análise de sistemas concentrados? Quando é aplicável? 
Sistemas concentrados são aqueles cuja temperatura interior permanece uniforme em todos os momentos do processo de transferência de calor. A temperatura desses corpos pode ser considerada como função só do tempo. Essa análise é aplicável se Bi for menor que 0,1, sendo Bi = hLc/k
10 - Considere a transferência de calor entre dois corpos sólidos quentes idênticos e o ar em torno deles. O primeiro sólido está sendo resfriado por um ventilador, enquanto o segundo está esfriando naturalmente. Para qual sólido a análise de sistemas concentrados é mais suscetível de ser aplicável? Por quê? 
A análise de sistemas concentrados é mais suscetível de ser aplicável no sólido que não está sendo resfriado por um ventilador, já que ao resfriar por um ventilador a convecção na superfície do corpo é maior, resultando em um Bi maior.
11 - Considere uma batata assada quente em um prato. A temperatura da batata diminui 4°C durante o primeiro minuto. A queda de temperatura durante o segundo minuto vai ser inferior, igual ou superior a 4°C? Por quê?
A queda de temperatura será inferior, pois houve diminuição no gradiente de temperatura. 
12 - Qual é o significado físico do número de Nusselt? Como ele é definido? 
Fisicamente, o número de Nusselt representa a razão entre a transferência de calor de um fluido por convecção (ou seja, a transferência do fluido em movimento) e a condução (que pode ser considerada um caso extremo de convecção, ou seja, a convecção de um fluido em repouso). Sendo definido por Nu = hLc/k 
13 - Qual a diferença física do número de Nusselt para o número de Biot? 
O número de Nusselt relaciona a transferência de calor convecção/condução dentro do fluido, enquanto que o número de Biot relaciona a mesma transferência entre sólido/fluido.
14 - O que a camada limite térmica representa? 
Representa a diferença de temperatura. 
Se desenvolve se há diferença entre as temperaturas do fluido na corrente livre e na superfície.
- Na aresta frontal o perfil de temperaturas é uniforme com T(y)=T
As partículas de fluido que entram em contato com a superfície atingem o equilíbrio térmico na temperatura da placa
Estas partículas trocam energia com as da camada de fluido adjacente causando o desenvolvimento de um gradiente de temperatura no fluido
A região onde existe este gradiente é a camada limite térmica e sua espessura é t, é definida como sendo o valor de y no qual a razão (Tsup-T)/(Tsup- T) é igual a 0,99
A qualquer distânciax da aresta frontal o fluxo térmico local é:
Essa expressão se aplica uma vez que na superfície não existe movimento de fluido e a transferência de energia se dá por condução.
- As condições no interior da camada limite térmica que influem fortemente o gradiente de temperatura na superfície - - determinam a taxa de transferência de calor através da camada limite.
- O valor do gradiente de temperatura diminui com o aumento de x e, portanto, o q e o h diminuem com o aumento de x.
15 - O que o número de Prandtl representa?
A espessura relativa entre a camada limite hidrodinâmica e térmica. 
16 - O que representa fisicamente o arrasto e como é composto? 
Arrasto é a força que faz resistência ao movimento de um objeto sólido através de um fluido. O arrasto é feito de forças de fricção (atrito), que agem em direção paralela à superfície do objeto (primariamente pelos seus lados, já que as forças de fricção da frente e atrás se anulam), e de forças de pressão, que atuam em uma direção perpendicular à superfície do objeto (primariamente na frente e atrás, já que as forças de pressão se cancelam nas laterais do objeto).
17 - O que é convecção natural? Como ela difere da convecção forçada? Que força causa as correntes de convecção natural? 
Convecção natural é um mecanismo, ou tipo de transporte de calor, no qual o movimento do fluido não é gerado por qualquer fonte externa (tal como uma bomba, ventilador, dispositivo de sucção etc, que estão presentes na convecção forçada) mas somente por diferenças de densidade no fluido ocorrendo devido a gradientes de temperatura. A força condutora para a convecção natural é a flutuabilidade (relacionada ao empuxo), um resultado de diferenças nas densidades de fluidos. Por causa disto, a presença de uma aceleração própria tais como surgindo da resistência à gravidade, ou uma força equivalente (surgindo da aceleração, força centrífuga ou força de Coriolis), é essencial para a convecção natural.