AULA 06

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Fenômenos de Transporte
Fundamentos de Ciências Térmicas
Mecanismos de Transferência de Calor 
Definições iniciais
Energia (uma definição):
\u201cCapacidade de realizar trabalho\u201d.
Formas de energia:
		- Cinética (movim. macroscópico, térmica etc)
		- Potencial (elétrica, gravitacional, elástica etc)
Matéria:
	\u201cTudo que tem massa e ocupa lugar no espaço.\u201d
Principais estados da matéria:
		Sólido, Líquido e gasoso.
Fenômenos de Transporte
Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.
Temperatura: Noção intuitiva
T1
T2
T1 > T2
T
T
 contato
T1 > Teq > T2 
Fenômenos de Transporte
Calor e sua propagação
Calor (uma definição):
\u201cCalor é a energia térmica em trânsito, devido a uma diferença de temperatura entre os corpos\u201d.
Há transferência líquida de calor, espontaneamente, do corpo mais quente para o corpo mais frio.
Fenômenos de Transporte
Unidades de medida de calor
caloria \u2013 cal
Joule \u2013 J
British thermal unit \u2013 Btu
A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para se elevar de 14,5°C para 15,5°C uma quantidade de 1g de água. 
O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb de água de 63°F para 64°F. 
Joule - unidade adotada pelo SI para energia. 
Fenômenos de Transporte
6
Convenção para a Troca de calor
calor recebido
calor retirado
Q > 0
Q < 0
Fenômenos de Transporte
Troca de Calor
Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio.
0
...
3
2
1
=
+
+
+
+
n
Q
Q
Q
Q
Em um sistema isolado, a quantidade total de calor trocado entre os corpos é nula, ou seja, o calor total recebido pelos corpos mais frios é igual ao calor total retirado dos corpos mais quentes.
Fenômenos de Transporte
 Termodinâmica:
Estuda as interações (trocas de energia) entre um sistema e suas vizinhanças.
 
 Transferência de calor:
Indica como ocorre e qual a velocidade com que o calor é transportado.
Fenômenos de Transporte
O que ocorre com a temperatura de um corpo quando se transfere calor a ele??
A temperatura pode aumentar ou não.
Fenômenos de Transporte
Calor sensível
Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico.
Fenômenos de Transporte
Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura.
Calor sensível
Q = C DT = m c DT
Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU etc];
C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC];
m = massa do corpo [g, kg];
c = calor específico da substância [J/(kg ºC)];
\uf044T = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC].
Fenômenos de Transporte
Calor específico e capacidade calorífica
H2O
Barra de ferro
Valores de c (25ºC e 1 atm)
Calor Específico
 
Calor Específico Molar
 
Substância
 
cal/(g.K)
 
J/(kg.K)
 
J/(mol.K)
 
Sólidos Elementares
Chumbo
Tungstênio
Prata
Cobre
Alumínio
 
0,0305
 
0,0321
 
0,0564
 
0,0923
 
0,215
 
128
 
134
 
236
 
386
 
900
 
26,5
 
24,8
 
25,5
 
24,5
 
24,4
 
Outros Sólidos
 
Latão
 
Granito
 
Vidro
 
Gelo (
-
10°C)
 
 
0,092
 
0,19
 
0,20
 
0,530
 
 
380
 
790
 
84
0
 
2.220
 
 
Líquidos
 
Mercúrio
 
Álcool etílico
 
Água do mar
 
Água doce
 
 
0,033
 
0,58
 
0,93
 
1,00
 
 
140
 
2.430
 
3.900
 
4.190
 
 
Fonte: Halliday
Calor específico para gases
Calor sensível a pressão constante:
		 \u2206H = Qp = m cp (Tfinal \u2013 Tinicial) 
cp é o calor específico do material a pressão constante;
\u2206H variação de entalpia do corpo (J, kcal etc.).
Calor sensível a volume constante:
		\u2206U = Qv = m cv (Tfinal \u2013 Tinicial)
cv é o calor específico do material a volume constante;
\u2206U variação de energia interna do corpo (J, kcal etc.).
Fenômenos de Transporte
Calor Latente
Quando o calor trocado é utilizado pela substância para mudar de estado físico, sem variação de temperatura e sob pressão constante, ele é chamado de calor latente. 
Ex.: fornecimento de calor à água fervente.
VAPORIZAÇÃO
Fenômenos de Transporte
O calor latente de mudança de estado pode ser:
endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas pois a matéria precisa absorver calor.
exotérmico (Q < 0): As transformações de liquefação, solidificação e sublimação inversa são exotérmicas, pois a matéria precisa liberar calor.
Mudança de fase
Fenômenos de Transporte
Q = m L
 Q (J) quantidade de calor trocado;
 L (J/kg) calor latente da transformação física;
 m (kg) a massa que mudou de estado físico.
Como a pressão é constante:
Q = \u2206H \u2192 L = h
 \u2206H variação de entalpia da transformação física (J);
 h entalpia específica da transformação física (J/kg).
Cálculo da troca de calor latente
Fenômenos de Transporte
Qual a velocidade de uma Troca de Calor?
Velocidade \uf0f0 Fluxo de calor
No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.
A
T1 > T2
Q
Fenômenos de Transporte
Fenômenos de Transporte
Temperatura (uma definição):
\u201cGrandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos\u201d. 
Processos de Transferência de Calor 
Condução
Convecção
Radiação térmica
Condução
Convecção
Radiação térmica
Fenômenos de Transporte
Fenômenos de Transporte
Termodinâmica versus Transferência de Calor
Interesse da Termodinâmica
	Transferência de energia, como calor e trabalho, nas interações do sistema com o meio.
	Permite conhecer o quanto de calor deve ser transferido para realizar uma determinada mudança de estado de um sistema, satisfazendo a conservação de energia.
	Trata somente dos estados finais (equilíbrio) dos processos.
 
Fenômenos de Transporte
Termodinâmica versus Transferência de Calor
Interesse da Transferência de Calor 
	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.
 
Fenômenos de Transporte
Transferência de Calor
Fenômenos de Transporte
Transferência de Calor na Engenharia
1. Permite estimar tamanho, materiais, viabilidade operacional e custo de equipamentos.
3. Projeto e melhoria da transferência de calor de trocadores de calor, caldeiras, condensadores, radiadores, fornos, máquinas elétricas, coletores solares, componentes de usinas elétricas, refrigeradores, sistemas de ar condicionado, etc.
5. Isolamento térmico: paredes, telhados, canos de água quente, tubulações de vapor, aquecedores de água, calefação, etc. 
2. Controle de Temperatura: resfriamento de componentes de circuitos eletrônicos e equipamentos.
4. Conforto térmico.
Fenômenos de Transporte
Transferência de Calor
Fenômenos de Transporte
Transferência de Calor
Condução
Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto. 
Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar.
Característico de meios estacionários.
Fenômenos de Transporte
Processos de Transferência de Calor
Condução 
 A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.
Calor
Condução de calor ao longo de uma barra.
Condução de calor ao longo de gás confinado.
T1 > T2
Fenômenos de Transporte
Fenômenos de Transporte
Fluxo de Calor na Condução 
Lei de Fourier
k é a condutividade térmica [W/(m ºC)]
k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC); k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 W/(m ºC); k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2 W/(m ºC)
Fenômenos de Transporte
Pela 2ª Lei da Termodinâmica, o fluxo de calor ocorre da região de temperatura maior para de temperatura menor. Assim o fluxo de calor será negativo quando o gradiente de temperatura for positivo.
Fluxo de Calor na Condução 
Convenção de Sinais : A direção do aumento da distância