[FQ II] TRANSFERÊNCIA DE CALOR BRENDA MELO, MARIANA MEIRELES E MARINA PASSOS

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ – UESC
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DISCIPLINA: FÍSICO-QUÍMICA II
PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Ilhéus, Bahia
Setembro, 2016
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ – UESC
 DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNÓLOGICAS
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DISCIPLINA: FÍSICO-QUÍMICA II
PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Relatório apresentado Universidade Estadual de Santa Cruz sob a orientação da docente Profa. Dra. Miriam Sanae Tokumoto, da disciplina de Físico-Química II do curso de Engenharia Química, realizado pelas discentes Brenda Dias de Melo (201411192), Mariana Meireles Amaral (201411324) e Marina Passos Soares (201411027).
Ilhéus, Bahia
Setembro, 2016
INTRODUÇÃO 
Segundo a definição Aurélio, calor é a “forma de energia que se transfere de um sistema para o outro em virtude de uma diferença de temperatura existente entre os dois, e que se distingue das outras formas de energia porque, como o trabalho, só se manifesta num processo de transformação” (FERREIRA, 2004). Desta definição de calor pode-se observar que o calor nada mais é do que uma forma de energia. A maneira com que esta energia altera as propriedades (dependentes ou independentes) de um sistema no estado de equilíbrio é escopo do estudo da Termodinâmica Clássica. Já os efeitos que ocorrem durante o processo da transmissão da energia em forma de calor é o escopo da Transferência de Calor. Dentre estes efeitos, exalta-se a variação de taxa temporal de transmissão de calor (variável não considerada na termodinâmica) (BARROSA, 2004). Esta transferência de energia pode-se processar de três formas diferentes: condução, convecção ou radiação.
Com a menção da palavra condução, devemos imediatamente visualizar conceitos das atividades atômicas e moleculares, pois são processos nesses níveis que mantêm este modo de transferência de calor. A condução pode ser vista como transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substância devido a interação entre as partículas (INCROPERA, 2008). Pode ser definida também como o processo pelo qual o calor flui de uma região de temperatura mais alta para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato físico direto (KREITH, 1977). Portanto, a transmissão de calor por Condução ocorre quando corpos em diferentes temperaturas estão literalmente “encostados” um no outro. A energia (calor) do corpo de temperatura mais alta agita as moléculas do corpo de temperatura mais baixa, fazendo com que a energia cinética média das moléculas deste último se eleve, aumentando, assim, sua energia interna. Consequentemente, a temperatura do corpo que está “recebendo” a energia em forma de calor se eleva até o estado de equilíbrio (BARROSA, 2004).
Segundo definição do cientista francês J.B.J. Fourier, em 1882, a quantidade de calor transmitida por condução segue a seguinte lei:
 		 Eq. 1
Onde k representa a condutividade térmica do material, A representa a área da seção através da qual o calor flui por condução (medida perpendicularmente à direção do fluxo), e dT/dx representa o gradiente de temperatura na seção.
O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos. Além de transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do movimento global, ou macroscópico, do fluido. Esse movimento do fluido está associado ao fato de que, em um instante qualquer, um grande número de molécula está se movendo coletivamente ou como agregado. Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. Como as moléculas nos agregados mantêm seus movimentos aleatórios, a transferência total de calor é, então, devida à superposição do transporte de energia pelo movimento global do fluido. É comum usar o termo convecção para fazer referência a esse transporte cumulativo e o termo advenção para fazer referência ao transporte devido ao movimento global do fluido (INCROPERA, 2008).
O calor, por unidade de tempo, transmitido de uma superfície sólida para um fluido, por convecção, pode ser calculado da seguinte forma: 
 				Eq. 2
Na fórmula acima, representa o coeficiente médio de transmissão de calor por convecção, o qual depende da geometria da superfície, da velocidade do fluido e das propriedades físicas do fluido, incluindo sua temperatura. A grandeza A representa a área de transmissão de Calor, e é a diferença de temperaturas entre a da superfície e a do fluido em um local especificado .
A radiação é um processo pelo qual o calor é transmitido de um corpo a alta temperatura para um de mais baixa quando tais corpos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles (KREITH, 1977). Por esta definição, vê-se que não há necessidade de um contato físico entre os corpos para que a energia (na forma de calor) seja transmitida entre eles. Ao calor transmitido desta forma dá-se o nome de calor radiante (BARROSA, 2004). Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que constituem a matéria. A energia do campo de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas (ou, alternativamente por fótons). Enquanto que a transferência de energia por condução ou convecção requer a presença de um meio material, a radiação não necessita dele. Na realidade, a transferência por radiação ocorre mais eficientemente no vácuo (INCROPERA, 2008).
OBJETIVO
Este experimente teve como objetivo principal analisar qualitativamente a transferência de calor em diversos materiais.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
A – Condução:
Materiais e reagentes
Barra de alumínio; 
Barra de ferro;
Paquímetro;
Vela;
Cronômetro;
Bico de Bunsen;
Alfinetes;
Régua;
Fósforos;
Garra de madeira;
Pinça de madeira.
Metodologia
As dimensões da barra de ferro foram medidas: comprimento com auxílio de uma régua e, largura e profundidade com auxílio do paquímetro. Foram marcados espaçamentos de 1,0 cm ao longo da barra. Com uma vela acesa, gotejou-se a parafina derretida em cada espaçamento demarcado e colocou-se um alfinete em cada gota completando 18 alfinetes. Com auxílio de uma garra, segurou-se a barra com os alfinetes voltados para baixo e colocou-se a extremidade da barra na chama do bico de Bunsen. Neste momento o cronômetro foi acionado e cronometrou-se o tempo até que o ultimo alfinete desprendeu da barra. O mesmo procedimento foi realizado para a barra de alumínio.
B – Convecção:
Materiais e reagentes
2 Erlenmeyer de 125 mL;
2 Béquer de 200 mL;
Placa de aquecimento;
Termômetro;
Papel de filtro;
Água destilada (H2O);
Solução de hidróxido de sódio 0,01 mol/L (NaOH);
Fenolftaleína;
Gelo.
Metodologia
Em um béquer, colocou-se cerca de 150 mL de água destilada e em seguida colocou-o na placa de aquecimento até aproximadamente 50 °C, sempre aferindo com o termômetro. Num outro béquer, fez-se uma solução de água e gelo, aferindo-se com o termômetro até obter uma temperatura abaixo de 10 °C. A água quente foi transferida para um erlenmeyer até transbordar, em seguida foram adicionadas gotas de fenolftaleína até uma coloração rosa escuro. A água fria foi transferida para outro erlenmeyer até transbordar. Um pedaço de papel filtro foi colocado na boca do erlenmeyer com água fria. Segurando o papel, verteu-o sobre o erlenmeyer com água quente até ficarem um sob o outro, em seguida o papel foi retirado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A – Condução
Ao colocarmos a ponta, tanto da barra de ferro quando da barra de alumínio, em contato com a chama do bico de busen, notou-se que após um determinado tempo, o calor começou a propagar-se por ambas as barras causando assim o derretimento da cera e consequentemente,a caída dos alfinetes.
O fluxo de calor por condução se dá via as colisões que ocorrem entre os átomos de uma determinada substância, havendo assim, a transferência de energia cinética. Sendo assim, ao colocarmos a barra de Ferro, ou de Alumínio, em contato com a chama, provocou-se um aumento na energia cinética das partículas daquela região, aumento esse de energia que foi propagado às demais partículas da barra.
Sob condições normais de temperatura e pressão, os valores tabelados para k, fator de proporcionalidade, que surge da equação de Fourier e é uma propriedade de cada material e exprime a maior ou menor facilidade que o material apresenta à condução de calor, para o Ferro e Alumínio são:
	Material
	Condutividade Térmica
(cal/sec)/(cm^2 C/cm)
	Condutividade Térmica
(W/mK)
	Ferro
	0,163
	79,5
	Alumínio
	0.50
	205,5
Durante o experimento, obteve-se os seguintes resultados:
	Material
	Comprimento (cm)
	Diâmetro (mm)
	Tempo
	Ferro
	(30,1 ± 0,1)
	(12,45 x 4,70) ± 0,05
	3min53seg
	Alumínio
	(30,1 ± 0,1)
	(12,80 x 3,30) ± 0,05
	27min05seg
Com os resultados obtidos experimentalmente e comparando-os aos valores tabelados para k, podemos afirmar qualitativamente, que o esperado ocorreu. A barra de alumínio, por contar maior valor de k, conduziu calor mais rapidamente que a barra de ferro.
B – Convecção
	
	Ao verter o erlenmeyer com água fria, a (7,0 ± 0,5) °C, sob o que continha água quente, a (50,0 ± 0,5) °C, após retirar o papel filtro que separava as duas quantidades de água, notou-se que a coloração rosa escuro do erlenmeyer inferior adentrou o superior. Ou seja, a água quente fluiu para cima, para dentro do erlenmeyer que continha água fria, misturando-se, sendo possível observar o fluxo de calor devido ao movimento de partículas aquecidas da substância da região quente para a região fria. Pelo conceito de transferência de calor por convecção, tem-se que houve a propagação de calor em que a energia térmica mudou-se do erlenmeyer inferior para o superior, acompanhando o deslocamento da substância quente, no caso a água. 
Isso pode ser explicado, pois sabemos que as moléculas se movimentam aleatoriamente e que este movimento em uma diferença de temperatura contribui para a transferência de calor. Verificamos ainda que o líquido quente sobe em direção ao frio, isto porque quanto maior a temperatura, menor a densidade, já que temperatura influencia no espaço necessário para comportar as moléculas, ou seja, no volume e sendo a densidade uma relação entre massa e volume (d=m/v) e sabendo que a massa é fixa e o volume variável, temos que quanto maior a temperatura, maior o volume e menor a densidade. Dessa forma, a água aquecida, de menor densidade sobe em direção a água fria, fazendo com que assim haja a transferência de calor entre a duas frações de água de diferentes temperaturas. 
CONCLUSÃO 
Neste experimento foi observado os fenômenos da condução e da convecção, através deles foi possível observar que na condução, metais que apresentam maior coeficiente de condução (k), conduzirão energia térmica de maneira mais rápida e eficiente.
Já na convecção observamos que a transferência de calor de um mesmo líquido em diferentes temperaturas, se dá pela diferença de densidade, onde o líquido mais frio tende a descer e mais quente a subir. 
Vimos assim que no caso da convecção, a energia térmica se propagou acompanhando as partículas quentes, ao contrário da condução na qual temos apenas a energia térmica se propagando enquanto as partículas permanecem em equilíbrio. 
	Sendo assim, o experimento se mostrou satisfatório para observação de fenômenos envolvendo condução e convecção. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Barrosa, M.R. PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR, Agosto de 2004. 
Ferreira ABH. Novo Dicionário Aurélio da Lingua Portuguesa. 3ª.ed. São Paulo, Positivo, 2004. 
INCROPERA, Frank P. Fundamentos de transferência de calor e de massa. 6. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2008
Kreith, F. e Bohn, MS. Princípios de Transferência de Calor, 2003, Editora Edgard Blücher, São Paulo.