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1 Unidade - 04 Transferência de Calor: Conceitos e definições 2 1. Conceitos e Definições Básicas de Transferência de Calor O que é transferência de calor? Transferência de calor é a energia em trânsito entre duas regiões devido a uma diferença de temperatura São três as formas de transferência de calor: Transferência de Calor por CONDUÇÃO Transferência de Calor por CONVECÇÃO Transferência de Calor por RADIAÇÃO 1.1. Princípios de Transferência de Calor por Condução Conforme mostra figura abaixo, quando existir gradiente de temperatura entre duas regiões de um corpo, a experiência mostra que ocorre uma transferência de energia da região de maior temperatura para a região de menor temperatura. Diz-se que a energia é transferida por condução e que a taxa de transferência de calor por unidade de área é proporcional ao gradiente normal de temperatura, ou seja: ( I ) Quando na equação ( I ) é inserido a constante de proporcionalidade k, resulta: ( II ) Onde: q Taxa de transferência de calor - (W) k Condutividade térmica do material – (W/m˚c) A Área de troca de calor – ( m2 ) Gradiente de temperatura na direção do fluxo de calor – (˚c/m ) x T A q x T kAq xT 21 0 2 1 TT l kA q dTdx kA q dx dT kAq T T l 3 A transferência de calor por condução está fundamentalmente associada ao choque entre moléculas com diferentes velocidades de vibração, ou seja, moléculas mais velozes de maior energia (Temperatura maior) chocando-se com a molécula menos velozes de menor energia (Temperatura menor) transferem energia, conforme mostra figura a seguir. O quadro abaixo apresenta ordem de grandeza do valor da condutividade térmica dos principais materiais. Sentido do fluxo de calor Maior Menor Temperatura Temperatura A equação (II) é chamada de Lei de Fourier da condução de calor em homenagem ao matemático e físico francês Jean Baptiste Joseph Fourier. O cientista de origem Francesa nasceu em 21/Março/1768 e faleceu em 16/Maio/1830. 4 1.2. Princípios de Transferência de Calor por Convecção A convecção é o processo envolvendo a transferência de energia nos fluidos em contato com uma superfície. A transferência de calor por convecção é dividida em: Transferência de calor por CONVECÇÃO NATURAL Transferência de calor por CONVECÇÃO FORÇADA Transferência de calor por convecção na mudança de fase: o CONDENSAÇÃO o EBULIÇÃO Os processos de transferência de calor por convecção natural ocorrem devido à variação da massa especifica dos fluidos em função da diferença de temperatura. Segue exemplos de processos de convecção natural. Os processos de transferência de calor por convecção forçada ocorrem devido ao escoamento do fluido com certa velocidade em contato com uma superfície em função da diferença de temperatura entre o fluido e a superfície envolvida. Na convecção forçada o escoamento do fluido é induzido por algum meio externo, tais como: Ventilador, agitador, bomba, etc. A figura abaixo representa o perfil de velocidade e temperatura típico do fluido em relação a superfície de troca de calor nos processos de transferência de calor por convecção forçada. Aquecimento da água Moléculas de água entram em contato com o fundo da vasilha aquecida, recebe calor, a sua massa especifica diminui. Daí, as moléculas de água mais aquecida e mais leve sobem até atingirem a superfície onde a massa especifica é maior, que descem, originando assim as correntes de convecção no interior do líquido Equipamento para aquecer o ar em um ambiente interno por convecção Natural para eliminar o ácaro 5 Segue exemplos de processos de convecção forçada. De acordo com a lei de resfriamento de NEWTON, a transferência de calor por convecção é proporcional à diferença de temperatura entre o fluido e a superfície em seu entorno é dado pela equação diferencial: Em regime permanente, resulta: Onde: q = Fluxo de calor – ( W ) h = Coeficiente de convecção – ( W/m2˚c ) A = área de superfície de troca calor – ( m2 ) = Temperatura média do fluido – ( ˚c ) = Temperatura da superficie – ( ˚c ) Segue valores típicos para os valores do coeficiente de convecção: Aquecimento do ar Aquecedor elétrico onde a circulação do ar é realizada utilizando um ventilador (Forçado o escoamento do ar) Foi ISAC NEWTON, matemático e físico Inglês que enunciou a chamada Lei de resfriamento de NEWTON da convecção. NEWTON nasceu em 25/12/1642 e faleceu em 20/Março/1727. SuperficieFluido tTTAh dt dq )(.. SuperficieFluido TTAhq .. FluidoT SuperficieT 6 A vaporização é a passagem do estado líquido para o estado gasoso. Ela pode ocorrer por evaporação, quando ocorre lentamente a qualquer temperatura, ou por ebulição quando o líquido atinge determinada temperatura a uma dada pressão, denominado de temperatura e pressão de saturação. Condensação é o processo inverso ao da vaporização. É a passagem do estado gasoso para o estado líquido. Ocorre quando o vapor inicia sua liquefação. Vários processos e equipamentos na engenharia acontecem e trabalham trocando calor na mudança de fase. A figura abaixo mostra exemplo de os processos típicos de mudança de fase para a água. Segue exemplo de processos de convecção com mudança de fase: Alambique artesanal. 1.3. Princípios de Transferência de Calor por Radiação Em um dia de Sol intenso, pode-se sentir claramente o quanto o Sol é importante no aquecimento da Terra. Sabemos que a distância entre a Terra e o Sol é muito grande, cerca de 150 milhões de quilômetros. Entre a Terra e o Sol praticamente não existe matéria, o espaço é um vácuo quase perfeito. Mesmo assim, o calor gerado no Sol chega até nós. Essa transmissão de energia se dá por meio de ondas eletromagnéticas, mais especificamente, através da Radiação Térmica. A radiação térmica é apenas um dos tipos de radiação eletromagnética. No limite externo da atmosfera a radiação solar média do Sol na terra gira em torno de 1395 W/m². As ondas eletromagnéticas são uma manifestação de energia, mais precisamente, uma manifestação de transferência de energia. São exemplos de ondas eletromagnéticas as ondas emitidas pelo rádio, raios X, etc. Os vários "tipos" de ondas estão relacionados comseu comprimento onda, como se pode ver pelo espectro eletromagnético mostrado na abaixo. 7 Para uma radiação se propagando através de um determinado meio, a relação entre o seu comprimento de onda () e sua frequência (f) é dado pela equação: c f Onde a constante (c) representa a velocidade de propagação da luz nesse meio. Para o vácuo a velocidade da luz vale 2,998 x 108 m/s. Os raios gama, os raios x e a radiação ultravioleta (UV) possuem comprimentos de onda pequenos e são de interesse dos físicos de alta energia e dos engenheiros nucleares. As ondas de grande comprimento, como as ondas de rádio e micro-ondas, são de interesse da engenharia eletrônica, e muito utilizadas para transmissão de rádio e TV, e também para comunicação via satélite. Essas ondas são menos energéticas. A porção intermediária do espectro, que vai de aproximadamente 0,1 a 100 m, e que inclui uma parcela da radiação ultravioleta (UV) e todo o espectro de radiação infravermelha (IR) é a parcela que interessa à Transmissão de Calor, também conhecida como Radiação Térmica. 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 Comprimento de onda, [m] Raios gama Raios X Ultra violeta Ondas de rádio (microondas) Infravermelho 3x1019 3x1018 3x1017 3x1016 3x1015 3x1014 3x1013 3x1012 3x1011 3x1010 Frequência, f [Hz] Radiação Térmica vi ol et a ve rm el ho az ul ve rd e am ar el o Luz visível Ludwig Eduard Boltzmann – Foi um físico Austríaco conhecido pelos seus trabalhos nos campos da termodinâmica estatística. Nasceu em 20/Fevereiro/1844 e faleceu em 05/Setembro/1906. Joseph Stefan – Foi um físico e matemático Austríaco Esloveno. Nasceu em 24/Março/1835 e faleceu em 07/Janeiro/1893. 8 Radiação térmica é a radiação eletromagnética emitida pela matéria em função de sua temperatura. Neste momento, radiação térmica está sendo emitida por toda matéria que está a sua volta: as paredes da sala, os móveis, o próprio ar ambiente, os outros colegas. De fato, todas as formas de matéria emitem radiação. O mecanismo físico responsável por esta emissão de energia está relacionado com as oscilações e transições, ou seja, alterações de posição e movimentação dos elétrons que constituem a matéria. Estas oscilações, por sua vez, são mantidas pela energia interna, e em consequência, pela temperatura da matéria. Quanto maior a temperatura, maior o nível de oscilações dos elétrons, e maior a energia emitida na forma de radiação térmica. Do exposto acima, temos então a definição de transferência de calor por radiação: A transmissão de calor por radiação é a transferência de energia por intermédio de ondas eletromagnéticas Duas conclusões sobre transferência de calor por radiação são muito importantes: Ao contrário da condução e convecção, não há necessidade de um meio material para ocorrer a transferência de calor por radiação. A transferência de calor por radiação pode ocorrer até mesmo no vácuo; Qualquer corpo emite calor por radiação e quanto maior a temperatura estiver o corpo, maior a quantidade de calor emitida pelo mesmo 1.3.1. Propriedades dos materiais em relação à radiação Quando certa quantidade de energia radiante atinge a superfície de um corpo, parte desta energia total é refletida, parte é absorvida e parte é transmitida através do corpo conforme mostrado na figura abaixo. Comportamento dos materiais em relação à radiação Considerando: Fração de energia refletida – “Refletividade” Fração de energia absorvida – “Absortividade” Fração de energia transmitida através do corpo – “Transmisividade” Temos que: 1 Onde a refletividade, absortividade e a transmisividade são propriedades térmicas dos materiais. Muitos corpos sólidos não transmitem radiação térmica e, para muitos problemas aplicados, a transmisividade pode ser considerada igual a zero, = 0. Assim, 1 radiação transmitida radiação incidente radiação refletida radiação absorvida 9 1.3.2. Quantidade total de calor emitida pela radiação térmica – “Lei de Stefan-Boltzman” Em 1879, Josef Stefan propôs que a “energia total” (por unidade de tempo e por unidade de área) emitida por um corpo seria proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta (em kelvin). Ludwig Boltzmann, em 1884, mostrou que a proposta por Stefan era válida e propôs para corpos negros a equação conhecida como lei de Stefan-Boltzmann, que representaremos da seguinte forma: 𝐸 = 𝜎. 𝑇4 onde: E = Fluxo de energia emitida [W/m²] T = Temperatura absoluta [K] = Constante de Stefan-Boltzman 𝛔 = 𝟓, 𝟔𝟔𝟗. 𝟏𝟎−𝟖 𝐰 𝐦𝟐.𝐤𝟒. 1.3.3. Lei de deslocamento de Wien A lei de Wien ou lei do deslocamento de Wien é a lei da física que relaciona o comprimento de onda onde se situa a máxima emissão de radiação eletromagnética de corpo negro e sua temperatura: 𝝀𝒎á𝒙 = 𝒃 𝑻 Onde: é o comprimento de onda (em metros) onde a intensidade da radiação eletromagnética máxima; é a temperatura do corpo em kelvin (K); é a constante de proporcionalidade, chamada constante de dispersão de Wien, em m.K; O valor dessa constante é m.K O que resulta em: 𝝀 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟐𝟖𝟗𝟕𝟔 𝑻 A Figura abaixo mostra que para cada temperatura existe um comprimento de onda para o qual a energia emitida por radiação é máxima. Além disso, o comprimento de onda para o qual a energia emitida é máxima aumenta com a diminuição da temperatura. 10 1.3.4. Lei de Kirchoff. Para um corpo com uma área superficial finita As, estando essa superfície a uma temperatura superficial Ts, teremos uma taxa de transferência de calor total devido à radiação dada por: 𝒒𝑹𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒂 = 𝑨𝒔.𝝈. 𝑻𝒔 𝟒 Esta é a máxima taxa de transferência de calor que um corpo pode emitir por radiação, de acordo com a Lei de Stefan Boltzman. Um corpo que obedecer exatamente esta lei é chamado de corpo negro, onde: qRadiação máxima Fluxo de Calor (w) As Área de Troca de Calor (m 2 ) Ts Temperatura Absoluta (˚k) E: É a constante de Stefan Boltzman Porém, no mundo físico real, nenhum material se comporta exatamente como um corpo negro. Alguns materiais podem chegar bem próximos deste comportamento. Outros materiais, porém, possuem um poder de emissão de radiação térmica bem inferior. Desta maneira, torna-se necessário definir uma nova propriedade física do material, chamada emissividade, e expressa pela letra "", de tal forma que: 𝒒𝑹𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐𝑹𝒆𝒂𝒍 = 𝜺.𝑨𝒔. 𝝈. 𝑻𝒔 𝟒 Fisicamente falando, a emissividade de uma superfície, representa a relação entre o poder emissivo desta superfície, e o poder emissivo de um corpo negro à mesma temperatura, ou seja: 𝜺 = 𝒒𝑹𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐𝑹𝒆𝒂𝒍 𝒒𝑹𝒂𝒅𝒊𝒂çã𝒐𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒂 O físico alemão Robert Kirchhoff mostrou em 1862 que a emissividade () é igual à absortividade () da superfície ou do corpo. Ou seja, a capacidade de emissão de energia radiante de um corpo é igual à sua capacidade de absorção desta mesma energia. Assim: 𝛆= 𝛂 Esta relação é chamada de Identidade de Kirchoff. Conclui-se que, quando um corpo é bom emissor de radiação, também é um bom absorvedor de radiação, ou seja, um corpo que é um bom absorvedor, necessariamente será um refletor deficiente. Segue Tabelas 01 e 02 com exemplos de emissividade de alguns materiais típicos utilizados na engenharia. Pode-se observar, consultando as tabelas, que metais polidos têm uma emissividade () muito baixa. Portanto, sua absortividade () é baixa e sua refletividade () será alta. Ou seja, metais polidos são bons refletores de radiação. 42810.67,5 kmw 11 Tabela 01 – Emissividade dos Metais SUPERFÍCIE EMISSIVIDADE Alumínio película 0,04 folha comercial 0,09 placa polida 0,039 - 0,057 oxidado 0,20 - 0,31 anodizado 0,82 Latão polido 0,03 placa opaca 0,22 Cobre polido 0,023 - 0,052 placa, aquecida por muito tempo, coberta de óxido 0,78 Aço, polido 0,066 Ferro polido 0,14 - 0,38 fundido 0,44 fundido, aquecido 0,60 - 0,70 Superfícies oxidadas placa de ferro, ferrugem vermelha 0,61 ferro, superfície cinza-escuro 0,31 folha de aço, fortemente oxidada 0,80 Aço inoxidável polido 0,074 comum, polido 0,19 comum, limpo 0,24 comum 0,54 - 0,63 Zinco, placa de ferro galvanizada 0,23 12 Tabela 02 – Emissividade de materiais refratários e de construção, tintas e materiais diversos. SUPERFÍCIE EMISSIVIDADE Amianto, placa 0,93 - 0,96 Teflon 0,85 Tijolos bruto, sem irregularidades (tijolo vermelho) 0,93 - 0,96 refratário 0,75 refratário de alumina 0,40 refratário de magnésia 0,45 Concreto 0,88 - 0,93 Madeira 0,82 - 0,92 Vidro Liso, de janela 0,90 - 0,95 Pyrex 0,80 - 0,82 Tintas negra 0,98 branca (acrílica) 0,90 branca, zincada (óxido de zinco) 0,92 esmalte sobre ferro, branco 0,90 laca preta brilhante sobre ferro 0,875 Borracha 0,94 Solo 0,93 - 0,96 Areia 0,90 Pedras 0,88 - 0,95 Vegetação 0,92 - 0,96 Asfalto 0,85 - 0,93 Água 0,95 - 0,96 Neve 0,82 - 0,90 Gelo 0,95 - 0,98 Pele humana 0,95 Tecidos 0,75 - 0,90 Papel 0,92 - 0,97 13 1.3.5. Transferência líquida de calor por radiação entre dois corpos. Vimos que toda a matéria, ou seja, todos os corpos emitem radiação. Neste sentido, observe a seguinte situação: Figura 04 - Troca de radiação entre os corpos Enquanto o corpo A está emitindo radiação que eventualmente atinge o corpo B, este também está emitindo radiação que atingirá o corpo A. Assim, a troca líquida de radiação do corpo A em relação ao corpo B será: 𝐪𝐫𝐚𝐝𝐢𝐚çã𝐨𝐀 = 𝐪𝐀−𝐁 − 𝐪𝐁−𝐀 E dependerá das características de cada corpo, isto é, de sua temperatura superficial, de sua área superficial (geometria do corpo), e da emissividade de sua superfície. O estudo detalhado dos mecanismos de troca de calor por radiação é bastante complexo, principalmente por causa da geometria do corpo e foge neste momento do objetivo deste curso. Vamos considerar, entretanto, o caso especial de um corpo qualquer, de área superficial As, temperatura superficial Ts, e emissividade s, interagindo com o meio ambiente que o circunda, e que se encontra a uma temperatura T: Troca de radiação entre os corpos Este "meio ambiente" inclui todas as superfícies sólidas que o circundam, bem como o ar ambiente. Lembre-se que toda a matéria, estando a uma temperatura maior que zero, emite radiação. O mesmo acontece com o ar, e os gases em geral. Corpo A Corpo B Q A-B Q B-A AA, TA, A AB, TB, B AS , S T TS 14 Observe que, neste caso, a área superficial do corpo é muito pequena em relação à área do "meio ambiente". Nesse caso, a taxa líquida de transferência de calor por radiação do corpo pode ser dada por: 𝐪𝐫𝐚𝐝𝐢𝐚çã𝐨 = 𝛆𝐬. 𝑨𝒔. 𝝈. (𝑻𝒔 𝟒 − 𝑻∞ 𝟒 ) Lembre-se que nestas equações a temperatura deverá estar sempre em Kelvin [K]. Observando a equação anterior, conclui-se que: se Ts > T (Ts 4 - T 4) > 0 radiaçãoq > 0 se Ts < T (Ts 4 - T 4) < 0 radiaçãoq < 0 Ou seja, se a temperatura de sua superfície for maior que a do meio, o corpo perderá calor por radiação; se a temperatura de sua superfície for menor que a do meio, o corpo ganhará calor por radiação. Considerando a influência da área de troca de entre o corpo que emite a radiação e o corpo que recebe a radiação é necessário a inclusão do fator de forma “F1-2”, o fluxo de calor por radiação entre duas superfícies pode ser calculado pela equação abaixo: Onde: q Fluxo de Calor (m2) Constante de Boltzmann (w/m2k4) Emissividade (Corpo negro = 1 e para Corpo cinzento < 1) F1-2 Fator de forma geométrico T1 e T2 Temperatura absoluta (k = c + 273) A Área de troca de calor (m2) Segue exemplo de processos de transferência de calor por radiação: ).(... 42 4 121 TTAFq 1 3 2 4 1. Fósforo 2. Panela com aço 3. Sol 4. Queimador 15 1.3.6. Transferência líquida de calor por radiação: outras geometrias Como já discutido, a transferência de calor por radiação é bastante dependente da geometria dos corpos e das formas das superfícies. Vamos analisar mais dois casos onde na equação da transferência de calor por radiação está incluído o fator de forma a emissividade e áreas diferentes das superfícies envolvidas. 1.3.6.1. Cilindros concêntricos (4.6) (4.7) 1.3.6.2. Placas planas paralelas infinitas com mesma área A2 , T2 A1 , T1 Qrad Qrad A , 1 A , 2 1 1 . 1 .. 22 1 1 4 2 4 11 A A TTA qradiação 1 11 .. 21 4 2 4 1 TTA qradiação 16 1.3.7. Resistência Térmica da Transferência de Calor por Radiação No estudo da convecção, foi definido um coeficiente de transferência de calor, na forma: TTAhq ssconvecçãoconvecção .. A equação de radiação térmica a seguir também pode ser reescrita de forma semelhante para se determinar o coeficiente de troca de calor por radiação ℎ𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜: 4421.. TTF A q ss s radiação Considerando analogia com o coeficiente de convecção, podemos obter: 4421 .... TTFTTh sssradiação Portanto: Coeficiente de troca de calor por radiação 1.4. Efeito Combinado Na pratica, nem sempre os processos discutidos de transferência de calor acontecem de forma independente e em separado. Em algumas situações os processos acontecem de maneira simultânea. O efeito combinado é um destes exemplos onde uma fonte de energia transfere simultaneamente calor por convecção e por radiação, conforme mostra figura abaixo.Portanto a transferência de calor total neste caso é dada por: Convecção Radiação radiaçãoConvecçãoTotal qqq 4421 ...... AmbienteParedeAmbienteParedeTotal TTFATTAhq TT TT Fh s s sradiação 44 21 . ..
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