03_quant_propr_term_corrigido

Prévia do material em texto

QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 1 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
◦ Quantidades e propriedades térmicas ◦ 
 
QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 2 - 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em 
edificações 
 
INTRODUÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TEMPERATURA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CALOR E OUTRAS 
QUANTIDADES TÉRMICAS 
 
 
 
 
 
 
 
Calor específico 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Calor latente e calor 
A esta altura, após levantar as condições naturais disponíveis e após 
mostrar a dependência do ser humano de condições térmicas 
apropriadas, mas também antes de os recursos de controle ambiental 
serem analisados, torna-se necessário esclarecer alguns conceitos 
físicos básicos relativos à natureza do calor e de suas formas de 
transmissão. Somente de posse deste conhecimento e de um claro 
entendimento dos princípios aí envolvidos é que o projetista terá 
condições de evitar alguns dos erros mais comuns de projeto. Caso os 
recursos de controle fossem aprendidos apenas através de exemplos, 
sem analisar os princípios básicos, um número muito maior de 
informações teria de ser memorizado, a tarefa de aprendizado tornar-
se-ia muito mais difícil e o projetista ainda assim não estaria equipado 
para enfrentar situações com as quais não estivesse familiarizado. 
 
 
A temperatura, em verdade, não constitui uma quantidade física e 
pode ser entendida como um sintoma - como se fosse a aparência 
externa do estado térmico de um corpo. Quando um corpo recebe um 
incremento de energia o movimento molecular dentro deste corpo se 
intensifica e ele se torna mais quente. Se este movimento molecular 
se espalha para outros corpos ou substâncias (por exemplo, o ar), a 
sua intensidade dentro do corpo é diminuída e o corpo torna-se mais 
frio. A temperatura é medida na escala de Celsius. Esta foi construída 
tomando os pontos de congelamento e ebulição da água (à pressão 
atmosférica normal) como pontos fixos e dividindo tal intervalo em 
100 graus. Em trabalhos científicos pode-se utilizar a escala Kelvin, na 
qual o intervalo de temperatura é o mesmo da escala Celsius, mas o 
ponto inicial - o zero - é o zero absoluto, que é -273,15 ºC. 
 
 
Calor é uma forma de energia que se manifesta pelo movimento 
molecular em substâncias ou como calor radiante, uma determinada 
faixa de radiação eletromagnética no espaço (700 a 10.000 nm). 
Como tal, ele é medido em unidades de energia: 
 joules (J) 
 
Antes de seguir adiante, é necessário definir várias outras quantidades 
térmicas, que serão referenciadas no restante do curso. 
 
 
É a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura da 
unidade de massa de uma substância de uma unidade. Ele é medido 
em: J/kgK 
Quanto mais elevado for o calor específico de uma substância, maior 
será a quantidade de calor que ele absorverá para um dado acréscimo 
de temperatura. De todas as substâncias comuns, a que tem o calor 
específico mais elevado é a água: 4.187 J/kgK. 
Para gases, é freqüente a referência ao calor específico volumétrico: 
 J/m3ºC 
O calor específico volumétrico do ar é de, aproximadamente, 1300 
J/m3ºC (variável com a pressão e umidade). 
 
 
Calor latente é a quantidade de energia calorífica absorvida pela 
QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 3 - 
sensível de uma 
substância 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capacidade térmica de um 
corpo 
 
 
 
 
 
Potência 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Densidade da taxa de fluxo 
de calor 
 
 
 
 
 
 
 
 
unidade de massa da substância para sua troca de estado (de sólido a 
líquido, ou de líquido a gasoso) sem qualquer mudança de 
temperatura. Ela é medida em: 
 J/kg 
A água, ao evaporar, absorve uma certa quantidade de calor, o calor 
latente de evaporação. A presença de vapor d’água no ar, 
consequentemente, caracteriza um conteúdo de calor, o calor latente. 
Se tomarmos 0 ºC como ponto de referência, o conteúdo de calor 
sensível, à qualquer temperatura será: 
Hs = cp x t, 
onde cp é o calor específico do ar, 1,005 kJ/kgK. 
Se o conteúdo de calor do vapor saturado a uma dada temperatura for 
Hvs, o conteúdo de calor latente do ar será 
Hl = UA x Hvs, 
onde UA é a umidade absoluta, isto é, o conteúdo de vapor do ar, 
expresso em g/kg. 
Calor sensível é a quantidade de energia calorífica requerida pela 
unidade de massa da substância para elevar a sua temperatura de 0°C 
até uma temperatura referencial. 
 
Unidade: J/kg 
 
Para a água o calor latente é: 
• de fusão (gelo a 0 ºC a água a 0 ºC): 335 kJ/kg 
• de evaporação a 100 ºC: 2.261 kJ/kg 
• de evaporação a aprox. 20 ºC: 2.400 kJ/kg 
 
Nas trocas de estado no sentido inverso, a mesma quantidade de calor 
é liberado. 
 
 
É o produto de sua massa pelo calor específico de seu material. Ela é 
medida como a quantidade de calor requerida para provocar o 
incremento unitário na temperatura de um componente de área igual 
à unidade e de uma espessura determinada corpo. É expressa por J/K. 
 
 
É a habilidade de desempenho de trabalho na unidade de tempo: é 
medido em joules por segundo, J/s, sendo-lhe dada um nome especial 
- Watt: W 
Se pensarmos em potência como taxa de dispêndio de energia, 
poderemos utilizar a mesma unidade para medir a taxa de fluxo de 
energia. Este fluxo de energia pode ser o fluxo de calor através de 
uma parede, o calor removido de um sistema de refrigeração, o fluxo 
de calor radiante de um aquecedor elétrico, o fluxo de eletricidade 
através de uma lâmpada ou a energia sonora (acústica) emitida por 
um alto-falante. Em todos estes casos a energia está fluindo ou é 
gasta, e é a taxa deste fluxo que é medido em watts. 
 
 
Em muitos casos não existe uma área definida através da qual o fluxo 
de calor possa ser considerado, por exemplo, a radiação solar ou o 
fluxo de calor através de uma parede de tamanho não especificado. 
Em tais casos a taxa de fluxo de calor pode ser medida em relação à 
unidade de área, isto é, a densidade de tal taxa de fluxo de calor. A 
unidade de medida é o watt por metro quadrado: W/m2. 
(O termo intensidade é freqüentemente usado como sinônimo de 
densidade, assim a intensidade de um som ou a intensidade de 
radiação solar é medida em W/m2). 
 
 
QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 4 - 
 
Condutividade térmica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Densidade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Condutância 
 
 
 
 
Na condução de calor através de um corpo ou através de corpos em 
contato direto, a disseminação do movimento molecular constitui o 
fluxo de calor. A taxa segundo a qual este movimento molecular se 
dissemina varia para diferentes materiais e é descrito como uma 
propriedade do material - sua condutividade térmica. Ela é uma 
medida do fluxo de calor (fluxo de energia na unidade de tempo) 
através da unidade de comprimento da unidade de área de um 
material, quando a diferença de temperatura entre duas superfícies 
paralelas deste material é unitária). 
 
A unidade de medida seria assim W x m/ m2K, mas pode ser 
simplificada para W/mK. 
O seu valor varia entre 0.03 W/mK, para materiais isolantes e 400 
W/mK, para metais. Quanto menor a condutividade, tanto melhor 
isolante o material é. 
Resistividade é a recíprocadesta quantidade, sendo medida em 
mK/W. 
Os melhores isolantes terão altos valores de resistividade. 
 
 
Nota-se, com frequência, a densidade sendo tomada como um 
indicador da condutividade: materiais com densidade elevada 
normalmente possuem uma condutividade mais elevada, mas não 
existe relação direta entre as duas quantidades. A aparente relação é 
devida ao fato de o ar possuir uma condutividade muito baixa, e como 
materiais leves tendem a ser porosos. Assim, contendo mais ar, a sua 
condutividade tende a ser menor. Existem, no entanto, várias 
exceções, como: 
 
Material Densidade Condutividade 
 kg/ m2 W/mK 
Aço 7.800 58 
Alumínio 2.700 220 
 
Neste caso o alumínio é mais leve, mas possui uma condutividade 
mais elevada. A relação é válida para materiais do mesmo tipo, mas 
de densidades diferentes, ou para o mesmo material, com diferentes 
densidades, devido a variações em seu conteúdo de umidade. 
A água possui uma condutividade de: 0,580 W/mK 
enquanto que o ar tem somente: 0,026 W/mK 
 
Assim, se o ar nos poros de um material for substituído por água, a 
sua condutividade cresce. Os seguintes valores referem-se a uma 
camada de asbesto isolante, onde se pode observar que quanto mais 
poroso o material, mais a condutividade crescerá com o acréscimo de 
umidade: 
 
Material Densidade Condutividade 
 kg/ m2 W/mK 
Seco 136 0,051 
Úmido 272 0,144 
Encharcado 400 0,203 
 
 
Enquanto a condutividade e a resistividade são propriedades de um 
material, as correspondentes propriedades de um corpo de uma dada 
espessura são descritas como condutância (C), ou sua recíproca, 
resistência (R): 
C = 1/R 
 
QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 5 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Condutância superficial 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transmitância térmica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Absorbância e emitância 
 
A resistência de um corpo é o produto de sua espessura pela 
resistividade de seu material: 
R = b x 1/k = b/k 
onde b é a sua espessura (m) e k, a sua condutividade. 
Se o corpo for constituído por várias camadas de diferentes materiais, 
a sua resistência total será a soma das resistências das camadas 
individuais. A condutância de um tal corpo multi-camadas (Cb) pode 
ser calculada através do inverso de sua resistência (Rb): 
 
Rb = R1 + R2 + R3 + ... = b1/k1 + b2/k2 + b3/k3 + ... 
Cb = 1/∑ Rb = 1/ ∑ b/k 
 
Observe-se que as condutâncias não são aditivas, apenas as 
resistências. 
 
 
Em adição à resistência ao fluxo de calor interposta pelo corpo, uma 
resistência adicional é oferecida por suas superfícies, onde uma fina 
camada de ar separa o corpo do ar circundante. Uma medida desta, é 
a resistência superficial, caracterizada por 1/f (m2/W), onde f é a 
condutância superficial (W/m2K). 
 
A condutância superficial inclui os componentes convectivos e 
radiantes da troca de calor junto a superfícies. Ela precisa ser 
considerada quando se calcula o fluxo de calor de um lado à outro de 
um corpo. A resistência global (Rt) é a soma da resistência do corpo e 
as resistências superficiais: 
 
Rt = 1/fi + Rb + 1/fe 
 
onde 1/fi = resistência da superfície interna; 
Rb = resistência do corpo; 
1/fe = resistência da superfície externa 
Rt = resistência global. 
A magnitude da condutância superficial (f) é função das características 
da superfície e da velocidade do ar passando pela superfície. 
 
 
A recíproca da resistência global é a transmitância global, ou U: 
U = 1/ Rt 
A sua unidade de medida é a mesma que a para a condutância - 
W/m2K - sendo que a única diferença é a de que a temperatura do ar 
(e não a temperatura das superfícies) é que é considerada em seu 
cálculo. 
Quando uma camada de ar está interposta dentro de um corpo 
através do qual a transferência de calor esteja sendo considerada, ela 
oferecerá uma barreira adicional à passagem do calor. Ela é referida 
como resistência de camada de ar (Rc), que deve ser adicionada às 
resistências anteriores. 
O valor da resistência de uma camada de ar pode ser, no máximo, 
igual à soma das resistências superficiais interna e externa (0, 176 
m2K/W), mas freqüentemente é menor se a camada tiver uma 
espessura inferior a 50 mm, ou se correntes de convecção fortes 
ocorrerem no interior da camada. O seu valor pode melhorar 
consideravelmente através da colocação de uma camada de alumínio 
suspensa livremente no interior da camada de ar. 
 
 
Na transferência de calor radiante, a taxa de fluxo de calor depende 
da temperatura das superfícies radiante e receptora e das 
características de absorbância (α) e emitância (ε) destas superfícies. 
QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 6 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Temperatura radiante 
A radiação recebida por uma superfície pode ser parcialmente 
absorvida e refletida; a proporção destas duas componentes é 
expressa pelos coeficientes de absorbância (α) e refletância (ρ). A 
soma destes dois coeficientes é sempre igual à unidade. Superfícies 
claras, lisas e brilhantes tendem a ter uma alta refletância. A 
superfície branca totalmente reflexiva (teórica), apresentaria os 
seguintes valores α = 0; ρ = 1. O corpo negro teórico, totalmente 
absortivo, teria os valores α = 1; ρ = 0. 
A densidade de emissão de radiação de um corpo é indicada pelo valor 
E (W/m2). Para o corpo negro teórico esta eqüivale a 
 
Eb = σ (T/100)4
onde 
 σ = constante de Stefan-Boltzmann, 5,67 x 10-8 W/m2K4
 T = temperatura absoluta do corpo (K) 
Para corpos ordinários, a emissão de radiação é sempre menor que a 
acima e a relação E/Eb é denominada emitância. 
Assim, para um corpo ordinário, a densidade de emissão de radiação 
será 
 
E = 5,67 σ(T/100)4 W/m2
 
O fluxo de radiação de calor, 
Qr = E x A = 5,67 σ A(T/100)4 W 
 
ou entre duas superfícies opostas, iguais e paralelas 
 
Qr = 5,67 σ A [(T’/100)4 - (T’’/100)4] W 
 
A emitância (ε) e a absorbância (α) de uma superfície são idênticas 
para radiação de mesmo comprimento de onda, mas podem diferir 
para diferentes comprimentos de onda. O comprimento de onda da 
radiação emitida depende da temperatura do emissor. O sol com sua 
superfície a uma temperatura de aproximadamente 6.000 ºK, emite 
radiação de onda curta, mas os objetos sujeitos à temperaturas 
terrestres (0ºC a 50ºC) somente emitem radiação de onda longa. 
Assim a absorbância para a radiação solar não será a mesma que a 
emitância a temperaturas terrestres; por exemplo: 
 
Material α (solar) ε (terrestre) 
Superfícies pintadas 
de branco 
0,1 - 0,3 0,8 - 0,9 
Metais polidos 0,1 - 0,3 0.05 - 0,2 
 
A significância prática disso é que se ambas as superfícies estão 
expostas à radiação solar, ambas irão refletir e absorver a mesma 
quantidade de calor, mas a superfície pintada de branco irá reemitir a 
maior parte do calor absorvido, enquanto que o mesmo não 
acontecerá com o metal polido. Com isso o último ficará muito mais 
quente. 
Isso explica a eficiência de lâminas metálicas suspensas no vazio 
existente entre as paredes duplas, para fins de isolamento térmico. 
Nesse vazio o calor será transmitido, principalmente, por radiação; a 
lâmina metálica irá refletir a maior parte da radiação térmica 
incidente, e, se absorver uma pequena proporção, ainda assim muito 
pouco será re-irradiado. 
 
 
A equação acima para Qr só é válida em casos especiais, como entre 
duas superfícies opostas, de igual área. Em todos os demais casos um 
QUANTIDADESE PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 7 - 
média 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fator de ganho solar 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
fator de forma deve ser incluído na expressão. Em situações tais quais 
a de um espaço interior, o uso do conceito de temperatura média 
radiante é conveniente. 
Esta é definida como a temperatura média ponderada de todas as 
superfícies circundantes, ou como a temperatura superficial de uma 
envolvente imaginária com a qual um corpo trocaria a mesma 
quantidade de calor por radiação que em circunstâncias reais. 
TMR = Σ (s x t) / Σs 
 
onde t é a temperatura de cada superfície s. 
 
A TMR pode ser medida por um termômetro de globo, quando o ar 
está calmo. Se não por perturbado ele se estabiliza em, 
aproximadamente, 5 minutos, à mesma temperatura que a 
temperatura média radiante das superfícies envolventes; assim a 
temperatura de globo TG = TMR. A TG é maior que a temperatura de 
bulbo seco, quando ocorre um ganho de radiação. Quando ocorre uma 
perda de radiação, a TG é deslocada para baixo da temperatura de 
bulbo seco. A presença de movimentação de ar modifica a TG, 
aproximando-a da temperatura de bulbo seco. Esta relação é expressa 
através da seguinte expressão empírica. 
 
 
TG = (TMR + 2,35 √TBS)/ (1 + 2,35 √2) 
ou 
TMR = TG + 2,35 √(TG - TBS) 
 
onde TBS é a temperatura de bulbo seco e v, a 
velocidade do ar. 
 
Figura 1. Termômetro de globo. 
 
 
 
 
 
É a taxa de fluxo de calor através da construção devida à radiação 
solar expressa como uma fração da radiação solar incidente. O seu 
valor não deve exceder a 0,04, em climas quente úmidos, ou 0,03, na 
estação quente-seca de climas seco-úmidos, quando a ventilação for 
reduzida. 
QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 8 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Irradiância 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EXERCÍCIOS 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. A radiação solar incidente é dissipada através de 
transmissão, reflexão e absorção. 
 
O fator de ganho solar pode ser melhor entendido através do seguinte 
exemplo. Quando a radiação solar incide sobre uma superfície 
transparente, parte dela é refletida, parte é transmitida e parte 
absorvida, a qual aquece o vidro. As proporções são expressas através 
dos seguintes coeficientes: 
ρ = refletância; τ = transmitância; α = absorbância. 
 
A soma dos coeficientes é igual à unidade: ρ + τ + α = 1. 
 
 
O vidro aquecido irá reemitir o calor absorvido, parte para o interior 
da edificação, parte para o seu exterior. O fator de ganho solar 
corresponde à soma da transmitância com a re-emissão dirigida para 
o interior da edificação. Ele pode ser estimado como sendo 
 
θ = τ + ½ α . 
 
 
A radiação solar é usualmente quantificada em termos de densidade 
de fluxo de energia conhecida por irradiância e medida em W/m2. 
Isto corresponde a uma medida instantânea de fluxo (W = J/s). Se 
integrada ao longo de um determinado período (hora, dia mês, ano), 
ela será medida como a quantidade de energia incidente por unidade 
de área, conhecida como irradiação. 
Se a irradiância média ao longo de uma hora for de 1 W/m2, a 
irradiação neste período será de 1 Wh/m2 = 3600 J/m2. 
QUANTIDADES E PROPRIEDADES TÉRMICAS 
Quantidades e propriedades térmicas ligadas à transmissão de calor em edificações - 9 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
QUESTIONÁRIO 
 
 
A. Calcular o valor da transmitância (U) de uma parede de tijolos de 
220 mm, com 16 mm de revestimento de argamassa em sua face 
interna. 
Dados: Condutividade térmica do tijolo: k = 0,84 W/mK 
Condutividade térmica da argamassa: k = 0,5 W/mK 
Resistência superficial interna, Rsi = 0,123 m2K/W 
Resistência superficial externa, Rse = 0,055 m2K/W 
 
Solução: 
Resistência da argamassa = 1/k = 0,016/0,5 = 0,032 m2K/W 
Resistência do tijolo = 0,22/0,84 = 0,262 m2K/W 
 
Assim, 
Resistência total = 0,123 + 0,032 + 0,262 + 0,055 = 
0, 472 m2ºC/W 
 
Conseqüentemente, 
U = 1/∑R = 2,12 W/m2K 
 
 
• Qual a diferença entre condutância térmica e condutividade 
térmica? 
• Qual a relação entre a densidade e a condutividade térmica? 
• O que é temperatura radiante média e como é medida? 
• O que é fator de ganho solar? 
• Por que a absorbância de um corpo à radiação solar não é igual 
à sua emitância térmica?