Relatório de Aula Prática de Fenômenos de Transporte - Transferencia de Calor

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RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE EXPERIMENTO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Alunas: Bruna Ricci Bicudo; Giselly Peterlini		RA: 1355023; 1353454
INTRODUÇÃO
Calor é uma forma de energia transferida de um corpo para outro, por conta de uma diferença de temperatura. A transferência de calor, que consiste nesse trânsito de energia térmica de um corpo sólido, líquido ou gasoso, para outro é o fenômeno de enfoque estudado pela Termodinâmica. Esta forma de energia só ocorre quando o sistema está em desequilíbrio térmico. Portanto, não é possível dizer que um corpo possui calor (Q) e sim que ele possui energia interna (U). Há três mecanismos conhecidos para a transferência de calor: a condução, a convecção e a radiação. 
A condução ocorre principalmente em corpos sólidos e consiste na troca de calor pela agitação (colisões) dos átomos e moléculas vizinhas do sólido. Esta pode ocorrer também em um fluido, mas somente quando ele não está em movimento. Os materiais apresentam capacidades diferentes de conduzir calor, propriedade chamada de condutividade, sendo que os sólidos são melhores condutores, seguidos dos fluidos e por último os gases. A convecção é a troca de calor que ocorre nos fluidos, ou seja, líquidos e gases. Consiste no movimento das camadas quentes e frias do fluido pela diferença de densidade, onde a camada quente e menos densa sobe, e a camada fria, mais densa, desce. Esse movimento causa as chamadas correntes de convecção. A radiação consiste na transferência de calor no vácuo, que ocorre através de ondas eletromagnéticas que viajam na velocidade da luz. Na atmosfera os três mecanismos ocorrem simultaneamente, como é mostrado na figura 1:
Figura 1 - Mecanismos simultâneos de condução, convecção e radiação
OBJETIVO
Observar a transferência de calor por condução e convecção em barras de acordo com o seu material e diâmetro.
MATERIAL E MÉTODOS
Aparelho de experimento de condução de calor em barras
Barras de Inox
Barra de Cobre
Barra de Alumínio
Para a realização do experimento foi utilizado o Aparelho de experimento de condução de calor em barras. Quatro barras de materiais e diâmetros diferentes são ligadas a um aparelho aquecedor que contém água (chamado de Banho). Este aparelho é mostrado na Figura 2:
 Figura 2- Aparelho de experimento de condução de calor em barras (da direita para esquerda: Barra A, B, C e D).
O diâmetro das barras e seu respectivo material são apresentados na Tabela 1:
Tabela 1 – Diâmetro e material das barras utilizadas:
	Barras
	Material
	Diâmetro
	A
	Inox
	25 mm
	B
	Inox
	13 mm
	C
	Cobre
	13 mm
	D
	Alumínio
	13 mm
A água presente no Banho então foi aquecida a uma temperatura inicial de 50°C. O calor da água, por condução, aquece as barras, sendo que quanto mais distante do banho, menor é a temperatura das barras. Ao longo de cada barra estão distribuídos 10 termopares, que medem a temperatura das mesmas. 
Após alguns minutos, a temperatura do banho é alterada para 90°C e o processo de aquecimento e medida da temperatura é feito novamente. Nos dois casos os valores foram tabelados e com eles plotados dois gráficos de perfis de temperatura e dois gráficos para medição do coeficiente angular (h), calculado a partir da equação:
Onde:
T = Temperatura em cada termopar (°C);
T0 = Temperatura do banho;
T∞ = Temperatura do ar.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
	Os termopares estão dispostos na mesma posição em cada barra, como mostrado na tabela 2.
Tabela 2 - Distância dos termopares ao longo das barras
	Termopares
	
	T1
	T2
	T3
	T4
	T5
	T6
	T7
	T8
	T9
	T10
	Dist. (mm)
	50
	100
	150
	250
	350
	450
	600
	750
	900
	1150
	Após a estabilização da temperatura do banho em 50°C, foram obtidas as seguintes temperaturas descritas na tabela 3.
Tabela 3 - Temperaturas dos termopares quando o banho está a 50°C
	
	Temperaturas °C
	
	T1
	T2
	T3
	T4
	T5
	T6
	T7
	T8
	T9
	T10
	Barra A
	38
	34
	29
	29
	29
	28
	27
	28
	29
	28
	Barra B
	39
	34
	30
	29
	28
	28
	29
	29
	27
	29
	Barra C
	31
	-
	39
	38
	33
	33
	30
	31
	30
	28
	Barra D
	41
	41
	41
	37
	36
	30
	29
	28
	29
	30
	Na tabela 4, estão apresentadas as temperaturas encontradas quando ocorreu a estabilização do banho a uma temperatura de 90°C.
Tabela 4 - Temperaturas dos termopares quando o banho está a 90°C
	Temperaturas °C
	
	T1
	T2
	T3
	T4
	T5
	T6
	T7
	T8
	T9
	T10
	Barra A
	47
	38
	31
	30
	30
	29
	28
	29
	29
	29
	Barra B
	51
	37
	32
	30
	28
	29
	30
	30
	28
	30
	Barra C
	32
	-
	53
	49
	43
	37
	32
	33
	31
	30
	Barra D
	60
	59
	55
	45
	36
	32
	30
	29
	30
	31
	O equipamento utilizado para o experimento estava com defeito na medição de um de seus termopares, identificado por T2 da barra C, por esse motivo as temperaturas medidas por ele foram desconsideradas e não apresentadas nas tabelas 3 e 4.
	Baseado nas temperaturas encontradas em cada ponto das quatro barras foi feito o perfil de temperatura tanto a 50°C, quanto a 90°C, que estão representados nos gráficos 1 e 2, respectivamente. 
Gráfico 1- Perfil de temperatura a 50°C
Gráfico 2 - Perfil de temperatura a 90 °C
Em primeiro lugar, em ambos os casos, a barra A, por ter um diâmetro maior, necessita de maior quantidade de calor e de tempo para que sua temperatura aumente isso se deve ao fato de, por ter um diâmetro maior a massa também é maior, dificultando a passagem de calor por condução. Comparando essa mesma barra com a barra B, que é do mesmo material, porém de diâmetro menor, se nota que a temperatura alcançada por esta é maior que a alcançada por aquela em um mesmo período de tempo, isso porque, na barra B, a quantidade de massa que o calor tem que passar é menor.
	No que diz respeito a maior condutividade térmica a barra C é a que apresenta maiores índices e, portanto o material é considerado um bom condutor de calor. O que indica isso são as altas temperaturas que a mesma apresentou no experimento, sendo a que mais perto chegou da temperatura do banho. Utilizando essa relação da condutividade térmica das barras, foram plotados o gráfico 3 e 4, referentes as temperaturas de 50°C e 90°C, respectivamente.
Gráfico 3 - Coeficiente angular para temperatura a 50°C
Gráfico 4 - Coeficiente angular para temperatura a 90°C
Os coeficientes angulares (h) para cada barra obtidos nos gráficos 3 e 4 estão apresentados, junto as suas equações, multiplicando a variável x, nas tabelas 5 e 6.
Tabela 5 - Coeficiente angular na temperatura 50°C
	
	Equações
	Barra A
	y = -0,0005x - 0,6321
	Barra B
	y = -0,0005x - 0,5967
	Barra C
	y = -0,0008x - 0,146
	Barra D
	y = -0,0014x + 0,2151
Tabela 6 - Coeficiente angular na temperatura 90°C
	
	Equações
	Barra A
	y = -0,0002x - 0,8733
	Barra B
	y = -0,0002x - 0,8612
	Barra C
	y = -0,0002x - 0,7303
	Barra D
	y = -0,0005x - 0,5817
A massa de ar que estava em movimento ao redor das barras e, principalmente em suas extremidades livres, promovia uma troca de calor por convecção, fazendo as barras perderem calor para o ambiente.
 Isso tem uma relação direta com o coeficiente angular (h) que, por a área de contato das barras com a massa de ar ser pequena, ou seja, ter pouca convecção, o h mostra-se um numero demasiadamente baixo. O sinal negativo indica que a barra está perdendo calor para o ambiente.
	Alguns erros de medições nas temperaturas podem ter alterado os dados, esses erros ocorreram, porque houve uma aproximação do regime transiente para o regime permanente, já que é necessário esperar a estabilização do equipamento.
CONCLUSÃO
	A condução de calor pode ser influenciada por vários aspectos, os principais deles são: comprimento e diâmetro da barra, material e temperatura. Por estarem com a extremidade exposta ao ambiente, ocorreu além da condução, a troca de calor por convecção, dificultando assim, que as barras estabilizassem com a temperatura inicial do banho.
REFERÊNCIAS
Mecanismos de Transferência de Calor. Disponível em: <http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/cap2-9.html> Acesso em 12 Set 2013
Princípios Fundamentais da Transferência de Calor. Disponível em: <http://sites.poli.usp.br/p/jesse.rebello/termo/trabalho_transcal.pdf>Acesso em 12 Set 2013
Energia, Calor e Temperatura. Disponível em: <http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?Itemid=371&id=206&option=com_content&task=view> Acesso em 12 Set 2013