Aula 2 Transcal CONDUÇÃO Parte I

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Mecanismos de Transferência de Calor 
Parte I 
Mecanismos de Transferência de Calor 
• A transferência de calor pode ser definida como a transferência de energia 
de uma região para outra como resultado de uma diferença de 
temperatura entre elas. 
 
• É necessário o entendimento dos mecanismos físicos que permitem a 
transferência de calor de modo a poder quantificar a quantidade de 
energia transferida na unidade de tempo (taxa). 
 
 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• CONDUÇÃO 
 
– Mecanismo associado ao nível de atividade atômica (e moleculares) do meio. 
– Ou seja, a transferência de energia ocorre das partículas mais energéticas para 
partículas menos energéticas num meio físico, devido a interações que 
ocorrem entre elas. 
 
 
• Portanto, a condução pode se definida como o processo pelo qual a energia é 
transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais 
baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em 
contato direto. 
 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• CONDUÇÃO (Considerações Adicionais) 
 
DIFUSÃO: 
- Colisão entre as moléculas & 
Transferência de Energia 
 
 
 
 
 
 
Plano imaginário sendo 
constantemente atravessado 
 
Fluxo térmico 
(W/m2) 
 
• OBS.: Existem diferenças no mecanismo dependendo do meio em que ele ocorre. 
– Nos GASES, o espaçamento molecular é maior, tendo portanto menos choques e transferência de 
calor; 
– Nos LÍQUIDOS, o processo se assemelha, embora as interações ocorram mais fortemente e com 
mais frequência; 
– Nos SÓLIDOS, a transferência de calor se dá por ondas de vibração da estrutura cristalina e pelo 
movimento dos elétrons livres (sendo esse exclusivo para meios bons condutores). 
 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
Coef. da CONDUTIVIDADE TÉRMICA do meio 
[W/m.K] 
x
T
q x


"
x
T
Aqx


.
dx
dTkq x "
• LEI DE FOURIER 
 
– Na CONDUÇÃO, a equação de FOURIER estabelece a que taxa se dá a 
transferência de calor através do meio. 
 
 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• LEI DE FOURIER 
 
A proporcionalidade pode se convertida para igualdade através de um coeficiente de 
proporcionalidade e a Lei de Fourier pode ser definida: 
 
A quantidade de calor transferida por condução, na unidade de tempo, em um 
material, é igual ao produto das seguintes grandezas: 
 
 
. .q k A
dT
dx
 
onde, 
 q, fluxo de calor por condução ( Kcal/h ; W); 
 k, condutividade térmica do material; 
 A, área da seção através da qual o calor flui, medida perpendicularmente à direção do fluxo ( m2); 
 dT/dx, gradiente de temperatura, isto é, a razão de variação da temperatura “T “ com a distância, na 
direção “x” do fluxo de calor ( °C/h ou K/h ). 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• LEI DE FOURIER 
 
O coeficiente de condutividade térmica (k): 
é uma propriedade de cada material e exprime se há maior ou menor facilidade neste material 
de se estabelecer o fluxo de calor por condução. 
 
Na equação de Fourier este coeficiente será sempre aplicado com valor negativo, pois o fluxo de 
calor sempre que existir será positivo, porém, a relação dT/dx sempre trará valores negativos 
(aumento da distância x, redução da temperatura). 
 
Observações: 
Regime em estado Estacionário 
dT/dx = (T2-T1)/L 
 
Direcionamento do Fluxo 
Unidimensional 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• LEI DE FOURIER - Aplicação 
 
Exemplo: 
A parede de um forno industrial possui 0,15m de espessura e condutividade térmica de 
1,7kW/m.k 
Medições realizadas, em regime estacionário, durante a operação, revelaram as 
temperaturas 1127°C e 877°C na face interna e externa, respectivamente. 
Qual a taxa de calor perdida através de uma parede que mede 0,5m x 1,2m? 
 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• CONDUTIVIDADE TÉRMICA 
 
Essa propriedade mostra a taxa de difusão que o material possui, logo está relacionada à 
estrutura física da matéria, atômica e molecular e da temperatura dos materiais. Portanto, o “K” 
pode variar em determinadas condições. 
Um material de “k” elevado é considerado um condutor térmico. Por outro lado, se tiver um “k” 
reduzido é chamado de isolante térmico. 
 
dx
dT
q
k x
"

Num material isotrópico 
(mesmas características em 
todas as dimensões), 
observa-se: 
 Kx = Ky = Kz  K 
 
Geralmente a 
condutividade térmica 
apresenta pouca diferença 
num mesmo material em 
fases diferentes. 
Ksólido  Klíquido 
 
 
 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• CONDUTIVIDADE TÉRMICA 
 
 
A condutividade térmica está associada: 
 - Calor específico do elétron por unidade de volume; 
 - Velocidade média do elétron 
 - Livre percurso médio do elétron. 
 
 
 
Portanto, alguns materiais podem estar 
sujeitos a variação da sua condutividade 
térmica dependendo da temperatura em que 
se encontram. 
 
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• DIFUSIVIDADE TÉRMICA () 
 [m2/s] 
 
 
 
Mede a capacidade de um material conduzir energia térmica em relação à 
sua capacidade de armazená-la. 
 
 
 
 massa específica calor especifico 
 
Onde corresponde à Capacidade Térmica Volumétrica [J/(m3.k)], 
 capacidade de armazenar energia 
 
 
Resposta às mudanças 
nas condições térmicas 
 
 
(contribuindo para o tempo 
necessário para atingimento da 
temperatura de equilíbrio) 
 
pc
k




pc
Mecanismos de Transferência de Calor - CONDUÇÃO 
• RESISTÊNCIA TÉRMICA (Rt)e CONDUTÂNCIA (U) 
 
 
 
Tomando por base a Equação de Fourier é possível perceber que diante de uma 
diferença de temperatura entre dois pontos (dT), os demais fatores da equação podem 
ser agrupados representando a RESISTENCIA TERMICA oferecida ao Fluxo de Calor e 
 a CONDUTÂNCIA TÉRMICA 
 
 dx
dT
kq ." 
dTUq ."  dx
k
U 
tR
dT
q "
Uk
dx
R
1

Analogia com a Lei de Ohm , utilizada no 
cálculo da Resistência Elétrica. R=V/i