Unid.IV+Transportes+de+Energia

Prévia do material em texto

Unidade IV: Fenômenos de Transportes de Energia
Calor pode ser definido como a energia que é transferida em função de uma diferença de temperatura. A termodinâmica estuda as relações entre as propriedades de um sistema e as trocas de calor e trabalho com a vizinhança, fornecendo informações sobre a quantidade de energia (calor) envolvida para o sistema passar de um estado inicial a um estado final num dado processo termodinâmico.
A transferência de calor é a área da ciência que estuda os mecanismos de transporte de calor (energia) e a determinação das distribuições de temperatura e dos fluxos (taxas de transferência) de calor.
Calor (Q) é a energia térmica em movimento, ou seja, a energia cinética proveniente da movimentação dos átomos ou moléculas.
No sistema internacional de Unidades (SI) a unidade de calor é o Joule (J). Usa-se também calorias (cal ou kcal).
Existem três mecanismos de transferência de calor: condução, convecção e radiação.
Condução Térmica – é a forma que a energia térmica (calor) passa entre átomos e moléculas vizinhas num mesmo meio em estado sólido ou fluido ou entre dois meios em contato físico. Ocorre devido à gradientes de temperatura, isto é, por diferenças de temperaturas entre os meios, no qual não se percebe movimento global da matéria apreciável na escala macroscópica. 
Convecção Térmica: é a transferência de energia térmica (calor) devido ao deslocamento de massa fluida, isto é, com movimento de matéria. Em um meio líquido ou gasoso as partículas mais quentes, tornam menos densas e, portanto, mais leves e tendem a subir. Em seu lugar partículas frias e mais densas descem, criando uma corrente de fluido num determinado sentido, transportando energia térmica.
O transporte de energia térmica por convecção é parcialmente regido pela Mecânica dos Fluidos, uma vez que o fenômeno envolve movimento de fluidos.
Obs.: A transmissão por condução é mais comum nos sólidos, enquanto que nos fluidos a transmissão de calor se dá por convecção, pois em líquidos e gases é difícil evitar a formação de correntes convectivas, dado que o aquecimento ou esfriamento de fluidos provoca quase sempre deslocamento de matéria.
Radiação: é a transmissão de energia térmica (calor) por meio de ondas eletromagnéticas, ou fótons, dentro de uma faixa de comprimento de onda. Embora ocorra transporte de energia por radiação através de líquidos, gases e sólidos, estes meios absorvem alguma ou toda energia e, portanto, esta energia é irradiada com eficiência máxima no vácuo absoluto. O melhor exemplo de radiação é o calor que nos chega por radiação solar propagando-se pelo vácuo do espaço sideral.
Exemplo: Aquecimento solar de água residencial
Temperatura (T) é a grandeza física usada para medir a energia cinética em questão. A temperatura associa um número à vibração entre moléculas. A temperatura é o sistema ou escala criada para medir a vibração molecular, ou seja, ao calor. A temperatura é uma grandeza macroscópica mensurável que pode ser usada para a verificação de equilíbrio térmico pois os corpos (ou sistemas) que estão em equilíbrio térmico têm a mesma temperatura. Termômetro é um dispositivo usado para medir a temperatura de um sistema.
Escalas de Temperatura
Uma escala de temperatura é construída com relação a um fenômeno térmico reprodutível ao qual se arbitra uma temperatura. A escala Celsius está relacionada com a escolha de dois pontos fixos correspondentes às temperaturas das misturas de água e gelo, na pressão atmosférica, arbitrada como zero grau Celsius (0°C), e de água e vapor de água, na pressão atmosférica, arbitrada como cem graus Celsius (100°C). A escala Fahrenheit também tem como referências as temperaturas de congelamento e de ebulição da água, na pressão atmosférica, que foram, respectivamente, arbitradas como de 32 graus Fahrenheit (32°F) para o ponto de congelamento e de 212 graus Fahrenheit (212°F) para o ponto de ebulição da água.
A escala Kelvin ou escala de temperatura absoluta tem como ponto fixo o chamado ponto triplo da água, que é o estado termo dinâmico no qual água no estado líquido, gelo e vapor de água coexistem em equilíbrio. A temperatura do ponto triplo da água foi arbitrada como sendo 273,16 kelvin.
RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS KELVIN E CELSIUS
Sendo T a temperatura em kelvin e Tc a temperatura em graus Celsius, tem-se que:
T = Tc + 273,15
RELAÇÃO ENTRE AS ESCALAS CELSIUS E FAHRENHEIT
Sendo Tc a temperatura em graus Celsius e TF a temperatura em graus Fahrenheit, tem-se que:
Tc = 5/9 (TF - 32)
SISTEMA E VOLUME DE CONTROLE
A Termodinâmica é a área da Física que trata do estudo das relações entre as propriedades de um sistema e as trocas de calor e trabalho com a vizinhança.
Sistema é uma quantidade definida e identificada de matéria. Um sistema clássico estudado em termo dinâmica é uma determinada massa de um gás contido em um cilindro com um pistão móvel.
Nas situações com escoamento de fluido geralmente é mais conveniente analisar a questão considerando um volume de controle, pois um sistema fluido, devido à mobilidade relativa entre as partículas, pode se deformar de tal maneira ao longo do escoamento que deixa de ser identificável. Volume de controle é uma região arbitrária e imaginária através da qual o fluido escoa. Superfície de controle é a superfície que envolve o volume de controle.
EQUILÍBRIO TÉRMICO. LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Um sistema isolado está em equilíbrio térmico quando as grandezas macroscópicas não variam com o tempo.
LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Se os corpos (sistemas) A e B estão, separadamente, em equilíbrio térmico com um terceiro corpo (sistema) C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
CAPACIDADE TÉRMICA
Capacidade térmica C de um corpo é o quociente entre a quantidade de calor fornecida ao corpo e a correspondente variação de temperatura, ou seja,
C = Q/ΔT
onde Q é a quantidade de calor fornecida ao corpo e T é a correspondente variação de temperatura do corpo. A unidade SI de capacidade térmica é joule por kelvin (J/K), também é usado cal/°C.
CALOR ESPECÍFICO
Calor específico c de uma substância é a quantidade de calor recebido por unidade de massa e por unidade da correspondente variação de temperatura da substância.
c = Q/ΔT m
ou
Q = m.c.ΔT
A unidade SI de calor específico é joule por quilograma e por kelvin (J/K.kg), também é usado cal/°C.g.
Agua: c=1 cal/°C.g
Dilatação Térmica
Todos os corpos existentes na natureza, sólidos, líquidos ou gasosos, quando em processo de aquecimento ou resfriamento, ficam sujeitos à dilatação ou contração térmica. O processo de contração e dilatação dos corpos ocorre em virtude do aumento ou diminuição do grau de agitação das moléculas que constituem os corpos. Ao aquecer um corpo, por exemplo, ocorrerá um aumento na distância entre suas moléculas em consequência da elevação do grau de agitação das mesmas. Esse espaçamento maior entre elas se manifesta através da escansão das dimensões do corpo, as quais podem ocorrer de três formas: linear, superficial e volumétrica. O contrário ocorre quando os corpos são resfriados. Ao acontecer isso as distâncias entre as moléculas são diminuídas e em consequência disso há diminuição nas dimensões do corpo.
- Dilatação Linear: é a dilatação que se caracteriza pela variação no comprimento do corpo. Essa variação pode ser calculada a partir da seguinte equação matemática, veja:
 
Onde:
α é o coeficiente de dilatação térmica linear, cuja unidade é o °C-1, que depende da natureza do material que constitui o corpo;
Lo é o comprimento inicial do corpo;
ΔL e ΔT são, respectivamente, a variação do comprimento e da temperatura do corpo.
- Dilatação Superficial: é a dilatação que se caracteriza pela variação na área superficial do corpo. Essa variação na superfície do corpo pode ser calculada através da seguinte expressão:
 
Onde:
β é o coeficiente de dilatação térmica superficial, cuja unidade é a mesma do coeficientede dilatação térmica linear, e que também depende da natureza do material que constitui o corpo;
β= 2α;
So é a área da superfície inicial do corpo;
ΔS e ΔT são, respectivamente, a variação da área da superfície e a variação da temperatura do corpo.
- Dilatação Volumétrica: é a dilatação que se caracteriza pela variação no volume do corpo. Essa variação pode ser calculada com a expressão:
 
Onde:
γ é o coeficiente de dilatação térmica volumétrica, cuja unidade é a mesma do coeficiente de dilatação linear e superficial, e que também depende da natureza do material que constitui o corpo;
γ= 3α;
Vo é o volume inicial do corpo;
ΔV e ΔT são, respectivamente, a variação do volume e a variação da temperatura do corpo.