Transferencia de Calor, Conservação e Balanço de Energia

Transferencia de Calor, Conservação e Balanço de Energia


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Transferência de Calor 
Objetivo 
\u2022 Introduzir o conceito de 
transferência de calor e os modos de 
transferência de calor. 
Aula 1 \u2013 Tópicos 
 
\u2022 Considerações iniciais; 
\u2022 O que é a transferência de calor; 
\u2022 Condução; 
\u2022 Convecção; 
\u2022 Radiação; 
\u2022 Conservação de energia; 
 
Considerações iniciais 
\u2022 Usos no dia a dia; 
 
\u2022 Grande parte dos processos industriais há 
necessidade de aquecimento e resfriamento; 
\u2013 Industria química, farmacêutica, alimentos, 
metalúrgica, etc... 
 
Transferência de calor 
 
\u2022 O que é transferência de calor ? 
 
Transferência de calor é a energia 
térmica em transito devido a uma 
diferença de temperatura no meio. 
Transferência de calor 
 
\u2022 O que é energia térmica ? 
 
A energia térmica está associada com a vibração e 
estados eletrônicos de átomos e moléculas que 
compõem a matéria. Representa o efeito cumulativo 
das atividades microscópicas e está diretamente 
ligado com a temperatura da matéria. 
A transferência de calor é a ciência que 
trata das taxas de troca de calor entre 
um corpo quente denominado fonte e 
um corpo frio denominado receptor. 
Transferência de calor 
Transferência de calor 
\uf071Por que estudar transferência de calor ? 
 
 
\uf071Porque é importante o Engenheiro Ambiental 
conhecer os fenômenos de transferência de 
calor ? 
 
 
 
 
Transferência de calor 
Transferência de calor 
Condução / Convecção / Radiação 
Modos de transferência de calor 
Ex.:Tratamento térmico de metais 
Condução: 
Modos de Transferência de calor 
Convecção: Radiação: 
Condução: 
Transferência de calor 
em um sólido ou um 
fluido estacionário 
Modos de Transferência de calor 
Convecção: 
Transferência de calor de 
uma superfície para um 
fluido em movimento. 
Modos de Transferência de calor 
Radiação: 
Transferência de calor 
de uma superfície na 
forma de ondas 
eletromagnéticas. 
Modos de Transferência de calor 
Condução 
Condução 
\u2022 Associada às atividades atômicas e moleculares; 
\u2022 Transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos 
energéticas; 
Considerações: 
Não há movimento global ou macroscópico; 
O gás pode ocupar o espaço entre duas superfícies em temperaturas 
diferentes 
Plano hipotético 
Condução 
\u2022 É possível quantificar os processos de transferência de calor por equações 
de taxa: 
\u2022 A Lei básica da Condução de calor Lei de Fourier: 
"
dT
q A
dx
dT
q kA
dx
q dT
q k
A dx
\uf0b5
\uf03d \uf02d
\uf03d \uf03d \uf02d
Fluxo térmico 
(W/m2) 
k - condutividade térmica 
- propr. de transporte (W/m.K) 
Sinal negativo: 
Fluxo de calor positivo na 
direção positiva ou na direção 
de temperatura decrescente 
"
x
dT
q k
dx
\uf03d \uf02d
Fluxo térmico 
(W/m2) 
Transferência de calor 
unidimensional por condução " .x xq q A\uf03d
Taxa de transferência de calor (W) 
2 1T TdT
dx L
\uf02d
\uf03d
Condução 
" 2 1
x
T T
q k
L
\uf02d
\uf03d \uf02d
Se: 
 
T2 < T1 q > 0 
 
T2 = T1 q = 0 
 
T2 > T1 q < 0 
 
Condução 
Transferência de calor 
unidimensional por condução 
Valores típicos de condutividade térmica (W/m.K) 
Metais 30 (ferro fundido) a 240 (prata) 
Líquidos 0,1(gasolina) a 0,4 (água) 
Materiais isolantes 0,02 a 0,1 
Gases 0,004 a 0,1 
Para muitos casos a condutividade pode variar com a temperatura. 
Quando a variação é pequena uma aproximação linear é suficiente 
para tratar adequadamente esta propriedade. Podendo ser 
considerado um kmédio entre o intervalo de temperatura estudado. 
Condução 
Exemplo 
\u2022 A parede de um forno industrial é construída 
em tijolo refratário com 0,15 [m] de espessura 
cuja condutividade térmica é de 1,7 [W/m.K]. 
Medidas efetuadas ao longo da operação em 
regime estacionário revelam temperaturas de 
1400 e 1150 K nas paredes interna e externa, 
respectivamente. Qual é a taxa de calor 
perdida através de uma parede que mede 0,5 
[m] por 1,2 [m] ? 
 
Convecção 
Convecção 
\u2022 A transferência de calor abrange 2 mecanismos: 
 
\u2013 Movimento molecular aleatório (difusão) 
\u2013 Movimento global ou macroscópico do fluido 
 
A transferência de calor por convecção pode ser 
definida como a transferência de energia 
ocorrendo no interior de um fluído devido aos 
efeitos combinados da condução e do 
escoamento global ou macroscópico do fluído. 
Convecção 
\u2022 Como consequência da interação entre o fluido e uma superfície aquecida 
duas regiões são formadas: 
\u2013 Camada limite hidrodinâmica (ou de velocidade); 
\u2013 Camada limite térmica. 
y o\uf03d u o\uf03d
y y\uf0a5\uf03d
u u\uf0a5\uf03d
sT T\uf03d
y o\uf03d
T T\uf0a5\uf03d
y y\uf0a5\uf03d
Convecção 
\u2022 O modo de transferência de calor por convecção é mantido 
pelo movimento molecular aleatório e pelo movimento global 
do fluido no interior da camada limite. 
 
\u2013 A condução é dominante próximo à superfície; 
\u2013 A contribuição do movimento do fluido origina-se na medida que a 
espessura da camada limite cresce em direção ao sentido do fluxo. 
Convecção 
\u2022 Estamos especialmente interessados na transferência de calor 
por convecção, que ocorre entre um fluido em 
movimento e uma superfície quando os dois se encontram a 
diferentes temperaturas. 
\u2022 Considere o escoamento do fluido sobre a superfície 
aquecida, uma consequência da interação entre o fluido-
superfície é o desenvolvimento de uma região no fluido 
através da qual a velocidade varia entre zero, na superfície, e 
o u, associado ao fluxo. 
 
 
Convecção 
Essa região no fundo é conhecida como camada limite 
hidrodinâmica ou de velocidade. Além disso, se as 
temperaturas da superfície e do fluido que escoa forem 
diferentes, existirá uma região do fluido através da qual 
a temperatura irá varias de Ts em y=0 e T\ua699, associada à 
região do escoamento afastada a superfície. Essa região 
é conhecida como camada limite térmica. 
 
 
Convecção 
A contribuição dada pelo movimento molecular (difusão) 
é dominante próximo à superfície, onde a velocidade do 
fluido é baixa. 
A contribuição dada pelo movimento global do fluido 
origina-se no fato de que a espessura da camada limite 
cresce à medida que o escoamento progride na direção x. 
 
 
 
Convecção 
 Pode ser classificada de acordo com a 
natureza do escoamento: 
 
\u2013 Convecção forçada 
\u2013 Convecção natural 
Convecção forçada 
Convecção forçada: quando o escoamento é causado por meios 
externos, tais como um ventilador, uma bomba ou ventos 
atmosféricos. Por exemplo considere o uso de um ventilador 
para resfriar o ar por convecção forçada dos componentes 
eletrônicos aquecidos de uma placa de um computador. 
 
Convecção natural 
Convecção livre ou natural: o escoamento é produzido 
por força de empuxo, que são originadas por diferença 
de densidade causada por variação de temperatura no 
fluido. Um exemplo é a transferência de calor é quando 
colocamos água para ferver em uma panela 
 
Convecção 
 Tipicamente a energia que é transferida pelo processo de 
convecção é a energia sensível, ou térmica interna do fluido. 
Porém, associada a mudança de fase, há processos nos quais 
existe a troca de calor latente, como a ebulição e 
condensação. 
Convecção 
 
 
 
&quot; ( )Sq h T T\uf0a5\uf03d \uf02d
&quot;q
h
ST
T\uf0a5
Fluxo de calor por convecção (W/m2) 
Coeficiente de transferência de calor por 
convecção [W / m2K] 
Temperatura da superfície 
Temperatura do fluido 
Lei do resfriamento de Newton 
Onde: 
Convecção 
&quot; ( )Sq h T T\uf0a5\uf03d \uf02d
h
Depende de várias condições: 
 
\u2022Natureza do fluido; 
 
\u2022Velocidade do escoamento do fluido; 
 
\u2022Geometria; 
 
\u2022Acabamento superficial;