Aula 10 Fenomeno dos Transportes

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Fenômenos de Transporte
Luciana Barreiros de Lima
Aula 10
TRANSFERENCIA DE CALOR
Objetivos 
– Estudar o processo de propagação de calor por convecção, a lei que justifica o fenômeno, a equação que a representa e suas aplicações. 
– Conhecer o processo de transmissão de calor por radiação, a lei que justifica esse processo, a equação que a representa e suas aplicações. 
– Resolver situações problema envolvendo um ou mais de um processo de propagação de calor. 
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CONVECÇÃO
O processo de transmissão de calor pelo método convectivo se dá entre uma superfície sólida estacionária e um fluido em movimento e que apresentam temperaturas diferentes.
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Convecção é o modo de transferência de energia entre uma superfície solida e o fluido adjacente. 
A convecção pode ser classificada em:
– Convecção forçada, 
– Convecção natural (ou livre),
–Convecção com mudança de fase (líquido/vapor, sólido/líquido, etc.) 
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Quando o fluido encontra a superfície surge uma região no fluido com variação de velocidade, de zero, na superfície até v∞ associada ao escoamento. Esta região do fluido é conhecida como camada limite . A região em que a temperatura varia de Ts a T∞, na região externa, é chamada de camada térmica e pode ser maior ou menor que a camada limite.
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Se a temperatura da superfície for maior que a do fluido, o fluxo de calor será da superfície para o fluido . Se a do fluido for maior (T∞) que a da superfície, o sentido do fluxo de calor será do fluido para a superfície.
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A convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento em: convecção livre ou natural, convecção forçada e convecção com mudança de fase. O esquema a seguir, apresenta exemplos de cada um dos tipos de convecção. (a) representa uma convecção forçada; (b) uma convecção natural; (c) e (d) representam convecção com mudança de fase- (c) ebulição e (d) uma condensação.
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Foi Newton que propôs uma relação para taxa de calor convectivo e os fatores que nela interferiam mas esta relação:
h é o coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m2.°C].
h depende da natureza do escoamento de fluido, das propriedades do fluido, e da configuração do escoamento. 
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EXEMPLO: O ar aquecido à temperatura de 1500C flui sobre uma placa lisa mantida à temperatura de 500C. O coeficiente de transferência de calor por convecção forçada é igual a 75 W/m2.0C. Calcule a taxa de transferência de calor para a placa através de uma área de 2 m2.
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A taxa de transferência de calor do fluido quente para a placa fria pode ser calculada por:
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MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR (CONDUÇÃO E CONVECÇÃO)
Considerando uma parede plana situada entre dois fluidos a diferentes temperaturas.
Sendo T1 a temperatura do fluido quente e T4, a temperatura do fluido frio. O fluxo de calor pela parede é constante.
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 O exemplo de um forno que aquece suas paredes, por condução e se dissipa no ar atmosférico se encaixa nesta situação, que representamos a seguir.
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Observa-se dois processos de convecção (T1 a T2) e (T3 aT4) enquanto entre T2 a T3 há um processo de condução.
Temos então:
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Uma parede de um forno é constituída de duas camadas: 0,2 m de tijolo refratário (K=1,2 Kcal/h.m.0C) e 0,13 m de tijolo isolante (0,15 kcal/h.m.0C). A temperatura dos gases dentro do forno é 17000C e o coeficiente de película na parede interna é 58 kcal/h.m2.0C. 
A temperatura ambiente é 27 0C e o coeficiente de película na parede externa é 12,5 kcal/h.m2. 
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Desprezando a resistência térmica das juntas de argamassa, calcular:
a) O fluxo de calor na parede.
b) A temperatura nas superfícies interna e externa da parede.
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Dados : 
Parede refratária: L1= 0,20 m; k1= 1,2Kcal/h.m.0C
Parede isolante: L2= 0,13 m; k2= 0,15kcal/h.m.0C
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RADIAÇÃO
Radiação é a energia emitida pela matéria na forma de ondas eletromagnéticas como resultado das mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas. 
Ao contrário da condução e convecção, a transferência de calor por radiação não exige a presença de um meio interveniente. 
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Em transferência de calor, estamos interessados na radiação térmica que é a radiação emitida pelos corpos devido a sua temperatura. 
Todo corpo a uma temperatura acima do zero absoluto emite radiação térmica.
A superfície ideal que emite a máxima taxa de radiação térmica é denominada corpo negro.
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Corpo Negro, ou irradiador ideal, é um corpo que emite e absorve, a qualquer temperatura, a máxima quantidade possível de radiação em qualquer comprimento de onda. O corpo negro é um conceito teórico padrão com o qual as características de radiação dos outros meios são comparadas.
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Corpo Cinzento é o corpo cuja energia emitida ou absorvida é uma fração da energia emitida ou absorvida por um corpo negro. As características de radiação dos corpos cinzentos se aproximam das características dos corpos reais
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Um meio material não é necessário para este tipo de processo; a radiação é a única possibilidade de transferência de calor no vácuo.
Se o material for semitransparente(vidros, cristais incolores, gases a altas temperaturas...) a radiação que sai do corpo por suas superfícies exteriores é o resultado de emissões ocorrentes em todos as profundidades dentro do material, é um fenômeno global ou volumar.
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Se o material for opaco à radiação térmica (metais, madeiras...) a radiação emitida pelo corpo tem origem no material na vizinhança imediata da superfície, a emissão é superficial.
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Radiação é um fenômeno volumétrico. Contudo, a radiação é geralmente considerada como um fenômeno superficial para os sólidos opacos a radiação térmica. 
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A taxa máxima de radiação que pode ser emitida por uma superfície à temperatura Ts (K) é dada pela lei de Stefan–Boltzmann: 
σ = 5,67x10-8W/m2·K4 é a constante de Stefan–Boltzmann 
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A radiação emitida por superfícies reais é menor que a radiação emitida pelo corpo negro à mesma temperatura, e é expressa como:
ε é a emissividade da superfície.
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Duas placas grandes de metal, separadas entre si por 4 polegadas(in), são aquecidas a 4000C e 1000C, respectivamente. As emissividades são de 0,8 e 0,25 respectivamente. Calcular as taxas de transferência de calor por radiação.
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FENOMENOS DE TRANSPORTE
LUCIANA BARREIROS DE LIMA
AULA 10 
 ATIVIDADE
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A area exposta de um dispositivo eletrônico é 100 mm2. Para assegurar-se de que a temperatura dessa superfície não passe de 50oC (323 K) quando a temperatura ambiente é de 35oC, o calor deve ser removido a uma taxa de 0.6 W.
Determine o coeficiente h de transferência de calor.
Resposta: h = 400 W/m2K
Uma janela de vidro de 5 mm de espessura tem área A = 1 m2. O vidro está colocado entre o ar do quarto (T = 20oC) e o ar externo no inverno (T = -10oC). O coeficiente de transferência de calor do ar da sala para o vidro é h1 = 15 W/m2K enquanto que a convecção entre a superfície do vidro e o ar externo é h2 = 20W/m2K. A condutividade térmica do vidro é k = 1 W/mK. Determina a perda de calor do ar da sala através do vidro.
Resposta: A resistência térmica total é R = (1/h1A)+(0.005/kA)+(1/h2A) = 0.12 K/W
A perda de calor é: ΔQ/ Δt = ΔT/R = 247 W
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