Relatorio propagação de calor

Prévia do material em texto

CURSO DE ENGENHARIA MECANICA
PROPAGAÇÃO DE CALOR.
Salvador - BA
3
{2014}
CURSO DE ENGENHARIA MECANICA.
ALEXANDRE DE OLIVEIRA BATISTA
MAICON JEAN DE SOUZA DANTAS
REBECA NEVES
ELTON ALVES ALCANTRA
SAVIO MONTENEGRO
ANTONIO LUIZ
PROPAGAÇÃO DE CALOR.
Relatório Experimental da disciplina de Física Experimental 2 apresentado, como requisito parcial para aprovação na disciplina, ao Professor Adelson de Brito, em Março de 2014. 
Salvador - BA
{2014}
SUMARIO
1 INTRODUÇÃO	4
1.1 Condução	4
1.2 Convecção	4
1.3 Irradiação	4
2 OBJETIVOS	5
3 METODOALOGIA	5
4 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS	5
5 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS	5
6 DISCUSSÃO	5
APENDISE	6
CICLO DE CARNOT	6
CICLO RANKINE	8
REFERENCIAS	10
1 INTRODUÇÃO
Para que ocorra troca de calor, é necessário que ele seja transferido de uma região a outra através do próprio corpo, ou de um corpo para outro. Existem três processos de transferência de calor estudados na termologia, são eles: condução, convecção e irradiação. A irradiação é a propagação de ondas eletromagnéticas que não precisam de meio para se propagar, enquanto que a condução e a convecção são processos de transferência que necessitam de um meio material para se propagar.
1.1 Condução
Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de condução de calor é denominado condução. No caso dos metais, além da transmissão de energia de átomo para átomo, há a transmissão de energia pelos elétrons livres, ou seja, são os elétrons que estão mais afastados do núcleo e que são mais fracamente ligados aos núcleos, portanto, esses elétrons, colidindo entre si e com átomos, transferem energia com bastante facilidade. Por esse motivo, o metal conduz calor de modo mais eficiente do que outros materiais.
1.2 Convecção
Da mesma forma que o metal, os líquidos e os gases são bons condutores de calor. No entanto, eles transferem calor de uma forma diferente. Esta forma é denominada convecção. Esse é um processo que consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido. Por exemplo, vamos considerar uma vasilha que contenha água à temperatura inicial de 4°C. Sabemos que a água acima de 4ºC se expande, então ao colocarmos essa vasilha sobre uma chama, a parte de baixo da água se expandirá, tendo sua densidade diminuída e, assim, de acordo com o Princípio de Arquimedes, subirá. A parte mais fria e mais densa descerá, formando-se, então, as correntes de convecção. Como exemplo de convecção temos a geladeira, que tem seu congelador na parte de cima. O ar frio fica mais denso e desce, o ar que está embaixo, mais quente, sobe.
1.3 Irradiação
Podemos dizer que a irradiação térmica é o processo mais importante, pois sem ela seria praticamente impossível haver vida na Terra. É por irradiação que o calor liberado pelo Sol chega até a Terra. Outro fator importante é que todos os corpos emitem radiação, ou seja, emitem ondas eletromagnéticas, cujas características e intensidade dependem do material de que é feito o corpo e de sua temperatura. Portanto, o processo de emissão de ondas eletromagnéticas é chamado de irradiação. A garrafa térmica é um bom exemplo de irradiação térmica. A parte interna é uma garrafa de vidro com paredes duplas, havendo quase vácuo entre elas. Isso dificulta a transmissão de calor por condução. As partes interna e externa da garrafa são espelhadas para evitar a transmissão de calor por irradiação.
2 OBJETIVOS
Esse experimento tem como objetivo mostrar a propagação de calor, especialmente a convecção, que foi o meio pelo qual esse experimento foi realizado, mostrando que quando a um aumento de temperatura a uma transferência de calor ocorrida pelo movimento das massas de uma região do fluido para outra, sabendo que o ar quente é menos denso que o ar frio ele tende a subir e o ar frio descer.
3 METODOALOGIA
Nesse experimento relacionamos as propriedades das transferências de calor, condução, convecção e radiação, especialmente convecção.
Colocando uma fonte de calor próximo a uma biombo protetor com uma ventoinha localizada acima e no centro, essa montagem é feita com a intenção de criar uma zona de baixa pressão, para haver uma convecção da massa de ar quente com a massa de ar frio fazendo com que a ventoinha se movimente. 
4 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
sapatas niveladoras, chave liga-desliga isolada, haste vertical com regulagem de altura, refletor com suporte regulável.
Fonte irradiante de feixe direcional.
Termômetro -10 a 110°c
Ventoinha de 8 hélises
Biombo protetor.
Pivô em aço inoxidável.
5 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Esse experimento foi bastante simples de fazer, primeiro montamos todo conjunto descrito anteriormente, verificamos a temperatura inicial aferida pelo termômetro que se encontrava a 21° C, então ligamos a fonte de calor, que nesse caso foi uma lâmpada com uma potência de 250W ligada a uma corrente elétrica 127V, Essa fonte de calor foi deixada ligada por 5 minutos, após esse tempo desligamos a lâmpada e verificamos sua temperatura onde marcava 30°C .
Com esse aumento de temperatura verificamos uma leve movimentação da ventoinha isso foi causado pela convecção do ar, fazendo com que a ventoinha se movimenta se.
6 DISCUSSÃO 
Atreves deste experimento fica bem claro perceber que com o aumento da temperatura se cria uma zona de baixa pressão em baixo da ventoinha fazendo com que haja um deslocamento da massa de ar quente e para cima e da massa de ar frio para baixo fazendo com que a hélise se movimente.
APENDISE
CICLO DE CARNOT
Sadi Carnot (1796 - 1832) foi um engenheiro francês que, em 1824, inventou um engenho teórico a que deu o nome de engenho de Carnot.
Suponhamos que o engenho funciona com um gás ideal, que está contido num cilindro onde numa das suas extremidades se encontra um pistão (êmbolo móvel). Tanto o cilindro como o pistão não são condutores térmicos.
A máquina imaginada funcionaria segundo um ciclo de Carnot, que consiste na alternância de duas transformações isotérmicas com duas adiabáticas (não ocorre transferência de energia sob a forma de calor), tal como mostra a figura 1.
Fig. 1 - Diagrama PV (pressão em função do volume) do ciclo de Carnot.
O ciclo de Carnot é um ciclo ideal, que trabalha entre duas temperaturas, Tf eTq, e onde a segunda é superior à primeira. Pela observação da figura 1, constata-se que o ciclo funciona em quatro etapas:
Processo de A para B: corresponde a uma expansão isotérmica à temperatura Tq. O gás é posto em contacto térmico, através da base do cilindro, com uma fonte de energia sob a forma de calor à temperatura Tq. Durante a expansão do volume VA para o volume VB, o gás recebe energia, |Qq|, e realiza trabalho, WAB, para empurrar o pistão, aumentando, desta forma, o volume dentro do cilindro.
Processo de B para C: a base do cilindro é substituída por uma parede não condutora e o gás expande de forma adiabática, isto é, não entra nem sai do sistema energia sob a forma de calor. Durante a expansão, a temperatura do gás diminui de Tq para Tf e o gás realiza trabalho, WBC, ao empurrar o pistão.
Processo de C para D: o gás é posto em contacto térmico, através da base do cilindro, com uma fonte de energia sob a forma de calor à temperatura Tf e é comprimido isotermicamente. O pistão move-se de forma a diminuir a área dentro do cilindro, realizando trabalho, WCD,sob o gás que é comprimido até ao volume VD. Durante este processo, o gás transfere energia sob a forma de calor, |Qf|, para a fonte fria.
Processo de D para A: novamente a base do cilindro é substituída por uma parede não condutora, ocorrendo uma compressão adiabática. O gás continua a ser comprimido pelo pistão que realiza trabalho, WDA,sob o gás, o qual aumentanovamente a sua temperatura até Tq, sem que haja qualquer troca de calor no sistema.
 As quatro etapas do ciclo de Carnot, encontram-se representadas na figura 2:
CICLO RANKINE
O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico. Como outros ciclos termodinâmicos, sua eficiência máxima é obtida através da eficiência de um Ciclo de Carnot. Seu nome foi dado em razão do matemático escocês William John Macquorn Rankine,
Considere um ciclo baseado em quatro processo que ocorre em regime permanente (fig. 1.1). Admita que o estado 1 seja líquido saturado e o 3 seja vapor saturado ou superaquecido. Este ciclo recebe a denominação de ciclo de Rankine e é o ideal para uma unidade motora simples a vapor. A fig. 1.1 apresenta o dia grama T-s referente ao ciclo e os processo que compõe o ciclo são:
1-2: Processo de bombeamento adiabático reversível , na bomba.
2-3: Transferência de calor a pressão constante, na caldeira.
3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina (ou em outra máquina motora tal com a máquina a vapor).
4-1: Transferência de calor a pressão constante, no condensador .
O ciclo de rankine, como já foi exposto, também pode apresentar superaquecimento de vapor, como o ciclo 1-2-3’4’-1.
Se as variações de energia cinética e potencial forem desprezadas, as transferências de calor e o trabalho líquido podem ser representadas pelas diversas áreas do diagrama T-s.
O calor transferido ao fluido de trabalho é representado pela área a-2-2’-3-3b-a e o calor transferido do fluido de trabalho pela área a-1-4-b-a. Utilizando a primeira lei da termodinâmica, podemos concluir que a área que representa o trabalho é igual a diferença entre essas duas áreas, isto é, a área 1-2-2’-3-4-1.
O rendimento térmico é definido pela relação:
térmico= wlíq=área 1-2-2’-3-4-1
qh área a-2-2’-3-b-a
Na análise do ciclo de Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o rendimento do ciclo de Rankine.
Devemos ressaltar que, na análise do ciclo ideais, as variações de energias cinética e potencial, de um ponto do ciclo ao outro serão desprezadas. Em geral, isso é uma hipótese razoável para os ciclos reais.O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas à vapor comumente encontrados em estações de produção de energia. Em tais estações, o trabalho é gerado ao se vaporizar e condensar-se alternadamente um fluido de trabalho (normalmente água, mas pode incluir outros líquidos, como amônia).O fluído de trabalho num ciclo Rankine segue um ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor que se observa em estações de energia vêm do sistema de resfriamento do condensador, e não do fluído de trabalho.
É evidente que o ciclo de Rankine tem um rendimento menor que o ciclo Carnot que apresenta mesmas temperaturas máxima e mínina do ciclo de Rankine, porque a temperatura média entre 2 e 2’ é menor que a temperatura durante a vaporização. Podemos então perguntar, porque escolhemos o ciclo de Rankine como ciclo ideal? Porque não escolher o ciclo de Carnot 1’-2’-3-4-1 como ciclo ideal? Podemos fornecer, pelo menos, duas razões para escolha do ciclo de Rankine. A primeira envolve o processo de bombeamento. O estado 1’ é uma mistura de líquido e vapor e é muito difícil constituir uma bomba que opere convenientemente sendo alimentada como uma mistura de líquido e vapor (1’) e que fornece líquido saturado na seção de descarga (2’). É muito mais fácil condensar completamente o vapor e trabalhar somente com o líquido na bomba (o ciclo de Rankine é baseado neste fato). A segunda razão envolve o superaquecimento do vapor. No ciclo de Rankine o vapor é super aquecido a pressão constante, processo 3-3’. No ciclo de Carnot toda transferência de calor ocorre a temperatura constante e portanto o vapor é super aquecido no processo 3-3’’. Note que durante esse processo a pressão cai. Isto significa que o calor deve ser transferido ao vapor enquanto ele sofre um processo de expansão (no qual é efetuado o trabalho). Isto também é muito difícil de ser conseguido na prática. Assim, o ciclo de Rankine é ciclo ideal que poder aproximado na prática. Consideramos, nas próximas seções, algumas variações do ciclo do Rankine que provoca o aumento do rendimento térmico do ciclo e deste modo apresentando o rendimento mais próximo ao rendimento do ciclo de Carnot.
REFERENCIAS
Sears e Zemansky, Física II Termodinâmica e ondas Young e Feedman 12° Ed - 2008, Capitulo 17.
Gualter e André, Física Volume Único 2° Ed - 1997,Capitulo 18.
Temperatura e calor| Mecânica | Física | Educação| http://educacao.globo.com/fisica/assunto/Temperturaecalor.html
Só Física | Transferência de calor:
http://www.sofisica.com.br/conteudos/transferenciadecalor.php
Ciclo de Rankine
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAC1EAA/ciclo-rankine
Ciclo de Carnot
http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=577&ordem=2