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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO ARAGUAIA INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA ENGENHARIA DE ALIMENTOS TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA BARRA DO GARÇAS - MT Abril - 2019 MARCEL BUENO SANTANA JÚNIOR PAULA KEIKO PERALTA TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA – AULA PRÁTICA 3 (Determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção natural e forçada) Trabalho de TCM elaborado pelos alunos do curso de Engenharia de Alimentos. O presente trabalho têm como objetivo explanar o que foi instruído pelo professor e relatar o que foi vislumbrado em laboratório. Professora Mª. Renata Lázara de Araújo BARRA DO GARÇAS - MT Abril - 2019 1 1. INTRODUÇÃO O termo convecção é usado para descrever a transferência de energia entre uma superfície e um fluido em movimento sobre esta superfície. A convecção inclui transferência de energia pelo movimento global do fluido – advecção - e pelo movimento aleatório das moléculas do fluido - difusão (INCROPERA, 2008). Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. A contribuição, devido ao movimento molecular aleatório, é dominante próximo a superfície, onde a velocidade do fluido é baixa. A contribuição do movimento global do fluido origina-se no fato de que a espessura da camada limite cresce à medida que o escoamento progride ao longo da superfície na direção desse mesmo escoamento. Nesse sentido, o calor que é conduzido para o interior desta camada é arrastado na direção do escoamento, sendo, posteriormente, transferido para o fluido que se encontra no exterior da camada-limite. Qualquer estudo da convecção se reduz basicamente a um estudo de procedimentos, pelos quais o coeficiente de transferência de calor por convecção, h, pode ser determinado. O h depende das condições da camada limite, as quais são influenciadas pela geometria da superfície, pela natureza do escoamento do fluido e por uma série de propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido. ( ANTONIETTI et al, 2011). A transferência de calor por convecção pode ser modelada pela lei de Newton para o resfriamento. Newton propôs que a taxa de calor trocada entre o fluido e a superfície é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre os corpos. A constante de proporcionalidade é dada pelo produto entre a área de troca térmica e uma constante denominada coeficiente de transferência de calor (BURMEISTER, 1993). A transferência de calor por convecção pode ser caracterizada a partir de determinados parâmetros adimensionais. São eles: número de Prandtl, número de Nusselt e número de Rayleigh. As correlações adimensionais são determinadas pelo método de Buckigham, que consiste em juntar as variáveis relevantes (densidade, viscosidade, entre outras) e as substitui por um número menor de variáveis (comprimento, massa e tempo) para assim reduzir o número de fatores do sistema, e criar uma relação adimensional (FOX et al, 2004). O número de Prandtl (Pr) representa a razão entre difusividade de momento (viscosidade cinemática) e difusividade térmica, sendo uma medida da eficiência dessas transferências nas camadas limites hidrodinâmica e térmica. Ele é necessário para estimativa do número de Nusselt (Nu), importante parâmetro para determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção. Esse número adimensional é 2 definido como a razão entre as taxas de transferência de calor por convecção e por condução no fluido. Para os casos de convecção natural, é necessário definir também o número de Rayleigh, que é o produto dos números de Grashof (relação entre forças de empuxo e forças viscosas). (INCROPERA e DE WITT, 2006). 3 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral: Determinar o coeficiente de trasferência de calor por convecção natural e forçada através de um cilindro de virdo e comparar o valor encontrando experimentalmente com o valor teórico. 2.2 Objetivo Específico: A. Plotar um gráfico de 𝑙𝑛 ( 𝑇−𝑇 ∞ 𝑇0−𝑇 ∞ ) versus tempo; B. Determinar o coeficiente angular; C. Determinar o número de Nusselt e o coeficiente convectivo; D. Calcular o valor experimental com o valor teórico. 4 3.MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Materiais Utilizados 3.1.1 Objetos e Vidrarias: ✓ Béqueres de 100 mL e 1000 mL; ✓ Poveta; ✓ Termômetro de mercúrio; ✓ Cronômetro; ✓ Gelo; ✓ Água destilda; 3.1.3 Equipamentos: ✓ Peixinho; ✓ Agiatdor Magnético; ✓ Paquímetro; 3.2 Métodos Utilizados 3.2.1 Preparo da Amostra: Em um primeiro momento foram acrescentados num béquer de 1000 mL água e gelo, formando um banho de gelo até 0ºC. Foi adicionada 50 mL de água destilada á temperatura ambiente no béquer de 100 mL e deixou no banho de gelo até obtenção do equilíbrio térmico, em seguida, transfiriu o béquer de 100 mL para o béquer de 1000 mL contendo apenas água a 25ºC até atingir uma temperatura próxima a do banho. Ao longo dessse processo, a temperatura da água dentro do béquer de 100 mL foi medida medida, com auxílio de um termômetro até atingir um equilíbrio térmico. Na segunda etapa, o béquer de 100 mL deve ser novamente resfriado no banho de gelo até atingir 0ºC, o agitador magnético deve ser ligado, proporcionando a agitação do peixinho e,consequentemente o movimento da água,deve ser medida temperatura do béquer até obtenção do equilíbrio térmico. Ao longo desses dois processos, as temperaturas dos béqueres foram medidas em intervalos de 10 segundos.Poteriormente, realizou-se a medição da altura e o diâmetro do cilindro de vidro (béquer de 100 mL ) com auxílio de um paquímetro em três pontos diferentes. Desse modo, foi possível obter dados de trasmissão de calor para duas situações distintas. No primeiro procedimento, como o fluido não foi submetido á agitação, a troca de calor se deu por convecção natural e no outro procedimento houve convecção forçada. 5 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Elucidação técnica do experimento 4.1.1 Representação algébrica: A transferência de calor por convecção pode ser modelada pela lei de Newton para o resfriamento. Newton propôs que a taxa de calor trocada entre o fluido e a superfície é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre os corpos. A constante de proporcionalidade é dada pelo produto entre a área de troca térmica e uma constante denominada coeficiente de transferência de calor (BURMEISTER,1993). Matematicamente, a convecção pode ser descrita pela relação: q = hA (𝑇𝑠−𝑇∞) Segundo Antonietti, 2011 o principal empecilho nos problemas de convecção está na determinação do coeficiente de troca de calor, h. Tal coeficiente está diretamente relacionado com a forma como a camada limite se desenvolve. Esta, por sua vez, depende fundamentalmente das propriedades termofísicas do fluido, da natureza do escoamento e da geometria da superfície. Por esse motivo, faz-se necessário determinar o coeficiente de troca decalor, que por sua vez, pode ser caracterizada a partir de determinados parâmetros adimencionais. Como por exemplo: número de Prandtl e número de Nusselt. Portanto, para ter ciência do coeficiente convectivo, faz-se necessário, em um primeiro momento, encontrar o número de Pandtl, que por sua vez, de acordo com Wetzel,1997, é um número adimensional que aproxima a razão de difusividade de momento (viscosidade cinemática) e difusividade térmica de um fluido, expressando a relação entre a difusão de quantidade de movimento e a difusão de quantidade de calor dentro do próprio fluido, sendo uma medida da eficiência destas transferências nas camadas limites hidrodinâmica e térmica, dessa forma: 𝑃𝑟 = 𝐶𝑝µ 𝐾 Onde: 𝑃𝑟: 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑎𝑛𝑑𝑡 𝐶𝑝: 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑣𝑖𝑑𝑟𝑜 = 669,9 𝐽. 𝑘𝑔 −1. 𝐾−1 6 µ: 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝐻2𝑂) à 25°𝐶 = 8,93. 10 −4𝑁𝑠𝑚−1 𝐾: 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑣𝑖𝑑𝑟𝑜 = 0,8 𝑊. 𝑚−1𝐾−1 𝑃𝑟 = 669,9 𝐽. 𝑘𝑔−1. 𝐾−1 × 8,93. 10−4𝑁𝑠𝑚−1 0,8 𝑊. 𝑚−1𝐾−1 𝑃𝑟 = 0,7478 Em um segundo momento, já determinado o número de Pandt, nos casos de convecção natural, recomenda-se uma correlação para a obtenção do número de Nesselt, que representa, de acordo com Cengel, 2009, a razão entre a transferência de calor de um fluido por convecção (ou seja, a transferência do fluido em movimento) e a condução (que pode ser considerada um caso extremo de convecção, ou seja, a convecção de um fluido em repouso). Considerando uma camada de fluido de espessura L e com uma diferença de temperatura ΔT entre suas superfícies. Portanto: 𝑃𝑟 ≥ 0,7 𝑒 𝑅𝑎𝐷 ≤ 1011 𝑁𝑢 = 2 + 0,589 × (1011)0,25 (1 + 0,469 𝑃𝑟9 16⁄ ⁄ ) 4 9⁄ 𝑁𝑢 = 274,42 Com a determinação do numero de Nusselt, é possível utilizar-se a seguinte expressão para obter o coeficiente de transferência de calor: 𝑁𝑢 = ℎ𝐿 𝐾 Onde: 𝑁𝑢: 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑁𝑢𝑠𝑠𝑒𝑙𝑡 = 274,42 ℎ: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝐿: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = (8,17±0,15)cm 𝐾: 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 0,8 𝑊. 𝑚−1𝐾−1 ℎ = 𝑁𝑢 × 𝐾 𝐿 ℎ = 274,42 × 0,8 𝑊. 𝑚−1𝐾−1 8,17 × 10−2m ℎ = 2,7k𝑊. 𝑚−2𝐾−1 7 Assumindo que as propriedades do fluido são constantes em uma determinada faixa de temperatura, pode-se considerar: 𝑙𝑛 ( 𝑇 − 𝑇 ∞ 𝑇0 − 𝑇 ∞ ) = − 3ℎ 𝐶𝑃𝜌𝑅 𝑡 Portanto com os dados obtidos nas equações anteriores, é possível determinar o coeficiente de transferência de calor por convecção natural e forçada. É importante frisar que, para geometria esférica é necessário fazer uma correlação para a obtenção do número de Nusselt, entretanto, como utilizamos um cilíndro é importante observar a aproximação do cilindro para uma esfera. Examinou-se que a razão entre volume e área seriam a mesma (D/6), onde o diâmentro interno do cilíndro apresentou (4,38±0,03)cm. Obtendo as informações a respeito do coeficiente convectivo, calor específico, densidade e condutividade do material, torna-se possível o cálculo do coeficiente de trasferência de calor por convecção natural e forçada para cada período de tempo. Portanto: A. Para convecção natural e forçada: 𝑙𝑛 ( 𝑇 − 𝑇 ∞ 𝑇0 − 𝑇 ∞ ) = − 3 × 2,7k𝑊. 𝑚−2𝐾−1 669,9 𝐽. 𝑘𝑔−1𝐾−1 × 2500 𝑘𝑔. 𝑚−3 × 0,0438 𝑚 𝑡 𝑙𝑛 ( 𝑇 − 𝑇 ∞ 𝑇0 − 𝑇 ∞ ) = −0,11𝑠−1𝑡 Encontrado o coeficiente angular que será utilizado como parâmetro em ambas convecções, tanto a natural quanto a forçado, faz-se necessário tabelar os dados e fazer uma comparação entre os resultados obtidos. 4.1.2 Procedimentos experimentais: Analisando a Tabela 1, pode-se observar que em uma variação de tempo correspondente a 10,33 minutos, foi suficiente para igualar a temperatura do cilíndro com a temperatura exterior que estava a 25ºC no momento do experimento, outrossim, é possível vislumbrar o coeficiente linear da função e o decrescimo na faixa da negatividade do percorrer do tempo, este fato fica mais evidenciado ao observar a Imagem 1. Outro fato importante de ser levado em consideração ao fazer uma análise superficial da tabela 1, é o fato da temperatura não atingir 25°C, que foi a temperatura relacionada ao fluido externo a parade do cilindro, chegando à 22 ºC. Este fato, 8 está diretamente ligado ao fato de as temperaturas entrarem em equilíbrio, tanto no exterior do cilindro quanto no interior. Tabela 1: Representa os valores da temperatura e os valores de 𝑙𝑛 ( 𝑇−𝑇 ∞ 𝑇0−𝑇 ∞ ) em função do tempo para os experimentos relacionado a convecção natural. CONVECÇÃO NATURAL t (s) T (°C) 𝒍𝒏 ( 𝑻 − 𝑻 ∞ 𝑻𝟎 − 𝑻 ∞ ) t (s) T (°C) 𝒍𝒏 ( 𝑻 − 𝑻 ∞ 𝑻𝟎 − 𝑻 ∞ ) 0 0,0 0 320 18,5 -35,2 10 1,0 -1,1 330 18,5 -36,3 20 4,0 -2,2 340 19,0 -37,4 30 4,0 -3,3 350 19,0 -38,5 40 5,0 -4,4 360 19,0 -39,6 50 5,5 -5,5 370 19,0 -40,7 60 6,0 -6,6 380 19,5 -41,8 70 6,0 -7,7 390 19,5 -42,9 80 7,0 -8,8 400 19,5 -44 90 7,0 -9,9 410 19,5 -45,1 100 9,0 -11,0 420 20,0 -46,2 110 9,5 -12,1 430 20,0 -47,3 120 9,5 -13,2 440 20,0 -48,4 130 9,5 -14,3 450 20,5 -49,5 140 9,5 -15,4 460 20,5 -50,6 150 10,0 -16,5 470 20,5 -51,7 160 11,0 -17,6 480 21,0 -52,8 170 11,5 -18,7 490 21,0 -53,9 180 12,5 -19,8 500 21,0 -55 190 13,0 -20,9 510 21,0 -56,1 200 14,0 -22,0 520 21,0 -57,2 210 14,5 -23,1 530 21,5 -58,3 220 15,0 -24,2 540 21,5 -59,4 230 15,5 -25,3 550 21,5 -60,5 240 16,0 -26,4 560 21,5 -61,6 250 16,0 -27,5 570 21,5 -62,7 260 16,5 -28,6 580 21,5 -63,8 270 17,0 -29,7 590 21,5 -64,9 280 17,0 -30,8 600 21,5 -66 290 17,5 -31,9 610 21,5 -67,1 300 18,0 -33,0 620 22,0 -68,2 310 18,0 -34,1 - - - Na imagem 1 é possível observar mais claramente o que ocorrido nas linhas de tendência, como ilustra na imagem 1, apresentaram inclinação negativa, o que já era esperado, uma vez que o experimento trata de um processo de transferência de calor convectivo, que 9 resulta na perda de calor ao longo do tempo. A não homogeneidade dos intervalos de tempo na medição de temperatura pode ser explicada pelo fato de que para velocidade altas, a variação de temperatura era rápida. De acordo com Jaluria, 1980 a convecção envolve dois mecanismos de transferência de energia: advecção (transferência de energia que se dá pela movimentação global do fluido) e difusão ou condução (movimento molecular aleatório do fluido). A convecção está relacionada à transferência de calor entre uma superfície e um fluido em movimento sobre a mesma na presença de um gradiente de temperatura. Imagem 1: Grafico representando 𝑙𝑛 ( 𝑇−𝑇 ∞ 𝑇0−𝑇 ∞ ) versus tempo para os resultados obtidos na convecção natural. No que tange aos experimentos relacionados ao processo de convecção forçada, pode- se observar que apresentou o mesmo comportamento da convecção natural no que compete ao comportamento das linhas de tendencia representado na tabela 1 e na imagem 2. A diferença entre os dois métodos está no simples fato de o material conseguir, em menos tempo, alcançar a temperatura requerida, representando experimentalmente um tempo gasto de quase 60% menor quando comparado a convecção natural. Esse fator intrigante pode ser explicado, de acordo com Holman, 1983 pelo fato de que a convecção forçada ocorre quando existe um agente externo, tal como uma bomba que força o movimento do fluido a circular para promover trocas térmicas mais intensamentes. Isso significa queo cilindro de vidro sofrerá um aumento de temperatura mais rápido quando exposto a essas condições. -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 ln (( T -T ∞ )/ (T o -T ∞ )) Tempo (s) CONVECÇÃO NATURAL 10 Tabela 2: Representa os valores da temperatura e os valores de 𝑙𝑛 ( 𝑇−𝑇 ∞ 𝑇0−𝑇 ∞ ) em função do tempo para os experimentos relacionado a convecção forçada. CONVECÇÃO FORÇADA t (s) T (°C) 𝒍𝒏 ( 𝑻 − 𝑻 ∞ 𝑻𝟎 − 𝑻 ∞ ) t(s) T(°C) 𝒍𝒏 ( 𝑻 − 𝑻 ∞ 𝑻𝟎 − 𝑻 ∞ ) 0 0,0 0,0 190 21,5 -20,9 10 4,0 -1,1 200 21,5 -22,0 20 5,0 -2,2 210 21,5 -23,1 30 6,0 -3,3 220 21,5 -24,2 40 6,0 -4,4 230 21,5 -25,3 50 6,0 -5,5 240 22,0 -26,4 60 7,0 -6,6 250 22,0 -27,5 70 12,0 -7,7 260 22,0 -28,6 80 15,0 -8,8 270 22,5 -29,7 90 16,0 -9,9 280 23,0 -30,8 100 17,0 -11,0 290 23,0 -31,9 110 18,0 -12,1 300 23,0 -33, 120 19,0 -13,2 310 23,0 -34,1 130 19,0 -14,3 320 23,5 -35,2 140 20,0 -15,4 330 23,5 -36,3 150 20,5 -16,5 340 23,5 -37,4 160 20,5 -17,6 350 24,0 -38,5 170 21,0 -18,7 360 24,0 -39,6 180 21,5 -19,8 370 24,0 -40,7 Imagem 3: Grafico representando 𝑙𝑛 ( 𝑇−𝑇 ∞ 𝑇0−𝑇 ∞ ) versus tempo para os resultados obtidos na convecção natural. -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 ln (( T -T ∞ )/ (T o -T ∞ )) Tempo (s) CONVECÇÃO FORÇADA 11 Observando a imagem 4, pode-se verificar que o regime de escoamento ira interferir diretamente na variação da temperatura, uma vez que no experimento em regime de convecção natural demorou mais tempo para chegar a temperatura de equílibrio, enquanto que na convecção forçada alcançou mais rapidamente a temperatura de quilíbrio. Imagem 4: Grafico representando a temperatura versus o tempo tanto para os experimentos utilizando convecção natural, quanto convecção forçada. Ainda análisando a imgem 4, observa-se que na convecção natural, houve um aumento gradativo da temperatura em função do tempo, muito embora apresentasse picos no início da contagem. Enquanto que na convecção forçada, aconteceu um aumento brusco na temperatura nos primeiros 2 minutos. Ademais, é possível perceber a discrepância no tempo que em cada método para chegar na temperatura de equilíbrio o que demonstra que a convecção forçada exerce influência na rapidez do processo de aquecimento. No que concerne ao coeficiente convectivo, conforme já calculado, apresentou um valor experimental de 2,7 kW.m-2K-1. Para o coeficiente convectivo teórico utilizou-se as mesmas equações do experimentais, entretanto, com os dados das propriedades da água a 25°C. Efetivou-se, portanto, os seguintes resultados: Pr = 6,14 e Nu=311,015. Obtendo um valor para o coeficiente teórico de 2,32 kW.m-2K-1 encontrado neste trabalho. Pode-se afirmar que esses valores (entre o coeficiente convectivo encontrado e o teórico) tem uma discrepância/erro de 14,07%, podendo concluir que foi um resultado válido. De acordo com Serpa, 2014, o coeficiente convectivo de troca de calor, h, é um importante parâmetro para o fenômeno de trasferência de calor, e em termos de significado físico, pode ser entendido como a facidade com que um fluido e uma superfície trocam calor, em que valores altos de h estão associados a uma alta facilidade de troca de calor. 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 500 600 700 T em p er a tu ra (° C ) Tempo (s) TEMPERATURA X TEMPO NATURAL FORÇADA 12 5. CONCLUSÃO Conclui-se que o coeficiente de transferência de calor por convecção natural e forçada obteve um valor de 2,7 kW.m-2K-1 , enquanto que o valor teórico para a convecção natural foi de 2,32 kW.m-2K-1, obtendo uma diferença de 14,07% de diferença entre o encontrado. O valor teórico do coeficiente de transferência de calor por convecção forçada, não pode ser calculado, uma vez que seria necessário obter o número de Reynolds do escoamento, que por hora, no que tange aos dimensionamentos relacionados a sua equação, não foi levado em consideração no momento da análise de convecção forçada. Destarte, os altos valores encontrados dos coeficientes representa que o material analisado tem uma alta facilidade de transferência de calor. 13 6. REFERÊNCIAS ANTONIETTI, A.J., STEMPKOWSKI, A.J., SEGATTI, F., SPASSIN, T. E. P., SILVA, C. V. Determinação do Coeficiente de Transferência de Calor numa Placa Plana Aquecida no Interior de um Túnel de Vento com Escoamento de Ar em Paralelo, Ed. Perspectiva, v.35, n.130, p. 7-17, 2011. Churchill, S. W., “Free Convection Around Immersed Bodies,” in G. F. Hewitt, Exec. Ed., Heat Exchanger Design Handbook, Section 2.5.7, Begell House, New York, 2002. INCROPERA, F. P., DE WITT. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6.ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2008 Frank P. Incropera; David P. Dewitt; Theodore L. Bergman; Adriene S. Lavine – Introduction To Heat Transfer, John Wiley & Sons , 6th Edition, 2006 FOX, R. W. , Pritchard, P. J. , McDonald A. T. , Introduction to Fluid Mechanics United States, Ed. LTC, 6ª edição, 2004, 802 p Louis C. Burmeister, “Convective Heat Transfer”, 2nd ed. Publisher Wiley Interscience, p. 107, 1993. Wetzel, M. and Herman, C., 1997, Design optimazation of thermoacoustic refrigerators, Elsevier Science Ltd and IIR, V.20, N°1, pp. 3-21. Çengel, Yunus A.. Transferência de Calor e Massa, 3ª ed., 2009. Donald L. Turcotte; Gerald Schubert. (2002). Geodynamics. Cambridge: Cambridge University Press. SERPA, A; VIEIRA, R; MACHADO, H. P; SOLIS, E. P.; RESENDE, M. Determinação do Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção Natural e Forçada – PUC/ RJ, Engenharia Química, 2014.