CALOR - INTRODUÇÃO

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Prof. Msc. Renato Sucupira
Engenheiro Químico
FENÔMENOS DE TRANSPORTE 
Transferência de Calor
INTRODUÇÃO
Definição
“Calor ou transferência de calor é a energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura no espaço”
Mecanismos da Transferência de Calor
A transferência de calor pode ocorrer de 3 modos distintos:
- Condução;
- Convecção ;
- Radiação.
Condução
Ocorre em sólidos, líquidos e gases em repouso.
Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto. 
Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar.
Característico de meios estacionários.
Calor
Condução de calor ao longo de uma barra.
Condução de calor ao longo de gás confinado.
T1 > T2
 A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.
Exemplos de Condução
No SI, a taxa de calor é dado em J/s ou Watt.
“Lei de Fourier”:
k é a condutividade térmica [W/(m ºC)]
	k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC)
	k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 W/(m ºC)
	k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2 W/(m ºC)
Exemplos de Condução
Condutividade térmica
Condutividade térmica em diversas substâncias 
Condutividade térmica em diversas substâncias 
Condutividade térmica em diversas substâncias 
1. Suponhamos que o engenheiro responsável pela operação de um forno necessita reduzir as perdas térmicas pela parede de um forno por razões econômicas. Considerando a equação de fluxo de calor, quais a possíveis possibilidades para a redução do fluxo de calor? 
ATIVIDADE DE CONDUÇÃO
ATIVIDADE DE CONDUÇÃO
Conforto térmico corporal;
Seleção de materiais para empregos específicos na indústria (condutores e isolantes). 
Por que os iglus são feitos de gelo?
k (gelo a 0ºC) = 1,88 W/(m ºC)
cp (gelo a 0ºC) = 2040 J/(kg ºC)
Aplicações e consequências
Convecção
Transferência de calor que irá ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento ou estacionário quando eles estão a diferentes temperaturas.
Transmissão através da agitação molecular (difusão) e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio (advecção);
 
Movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas; 
 
É o transporte de calor típico dos meios fluidos. 
A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do fluxo. 
Convecção
Na convecção natural, ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de diferenças de densidade causadas por variação de temperatura do fluido. 
Transporte natural de fluidos
Convecção natural
Convecção
Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos. 
Convecção forçada
Transporte forçado
 de fluidos
“Lei de Newton do Resfriamento”:
- h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)]
Área A
Convecção
Processo
 
h [W/(m2
K)]
 
Convecção natural
 
Gases
 
Líquidos
 
 
2 
–
 25
 
50 
–
 1.000
 
Convecção forçada
 
Gases
 
Líquidos
 
 
25 
–
 250
 
50 
–
 20.000
 
Convecção com mudança de fase
 
Ebulição ou condensação
 
 
2.500 
–
 100.000
 
 
Fonte: Incropera 
	O coeficiente de convecção h depende de propriedades físicas do fluido, da velocidade do fluido, do tipo de escoamento, da geometria, etc. 
Exemplo:
1. O Ar a Tar = 25oC escoa sobre uma placa lisa mantida a TS = 150oC. O coeficiente de convecção é de 80 W/m2 oC. Determinar a taxa de calor considerando que a placa possui área de A = 1,5 m2.
Exemplo:
 Conforto ambiental;
 Refrigeração de circuitos elétricos.
Aplicações e consequências
 Radiação
	Todos os corpos acima do Zero Absoluto (0 K) emitem continuamente energia devido a sua temperatura, a energia assim emitida é a radiação térmica.
	A radiação não necessita de um meio físico para se propagar. A energia se propaga por ondas eletromagnéticas ou por fótons.
 É mais eficiente quando ocorre no vácuo.
	A radiação que é emitida por uma superfície é denominado o poder emissivo da superfície.
 	O limite superior para o poder emissivo, é prescrito pela lei de Stefan-Boltzmann.
	Onde Ts é a temperatura absoluta da superfície (K), e σ é a constante Stefan-Boltzmann (σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 ). Tal superfície é chamado um radiador ideal ou de corpo negro.
 Radiação
O fluxo de calor radiante emitido por uma superfície real é menor do que a de um corpo negro à mesma temperatura, e é dada por:
onde ε é uma propriedade de irradiação da superfície denominado de emissividade. Com valores que varia de 0 à 1.
 Radiação
Lei dos Intercâmbios: Todo bom absorvedor é um bom emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um mau emissor de radiação térmica. 
Corpo negro é também o emissor ideal de radiação térmica (radiador ideal)!!!! 
Corpos Escuros: bons absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: fuligem (a =  = 0,94).
Corpos claros e polidos: maus absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: prata polida (a =  = 0,02).
Fluxo de calor na Radiação
“Lei de Stefan-Boltzmann”:
E – Poder emissivo [W/m2];
 – emissividade (0 ≤  ≤ 1); 
σ – Constante de Stefan-Boltzmann [5,7 x 10-8 W/(m2 K4)];
T – Temperatura absoluta do corpo (K).
Fluxo de calor na Radiação
Taxa de transferência de calor por radiação
	1. Na operação de um termograma, o aparelho detecta a radiação emitida pela pele de uma pessoa. Como as lesões (infecções e tumores) tem temperaturas mais elevadas que os tecidos que a circundam, os aparelhos de termografia conseguem detecta-los. Qual a diferença (percentual) entre as taxas de radiação da pele a 34 oC e a 35 oC ? (= 0,95)
	2. Uma pessoa nua tem uma área superficial de 1.4 m2. A temperatura da pele é 36 oC e a emissividade é ε ∼ 0.9. Considerando que esta pessoa esta numa sala a 20 oC, qual a perda de calor da pessoa? Compare seu resultado com a taxa de metabolismo basal de uma pessoa sentada ( ∼ 120 W).
	3. Após o crepúsculo, a energia radiante pode ser sentida por uma pessoa situada próxima de um muro de tijolos. Estes muros tem uma temperatura de aprox. 43 °C (316 K) e emissividade ε ∼ 0.9. Qual o calor emitido para o ambiente por 1 m2 de muro de tijolos a essa temperatura ? 
 Fonte alternativa de energia;
 Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infravermelho provenientes da terra.
Aplicações e consequências
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
Condução de Calor
Condutividade Térmica do material [W/mK]
Fluxo de Calor 
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
Condução em uma parede plana
Fluxo térmico 
Transferência de calor
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
Resistência térmica
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
Condução em uma parede plana composta em serie
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
Condução em uma parede plana composta em serie e paralela
Todas as paredes estão sujeitas a mesma diferença de temperatura; 
As paredes podem ser de materiais e/ou dimensões diferentes; 
O fluxo de calor total é a soma dos fluxos por cada parede individual. 
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
Condução em uma parede plana composta em série e paralela
INTRODUÇÃO À CONDUÇÃO
Calcular o fluxo de calor na parede composta abaixo :
 
L
)
T
T
(
A
k
q
cond
2
1
-
×
×
=
·
x
d
T
d
A
k
q
x
-
=
)
T
T
(
A
h
q
s
conv
¥
·
-
×
×
=
reais)
 
(corpos
 
negro)
 
(corpo
 
negro)
 
(corpo
 
4
4
T
A
q
E
T
A
q
E
rad
máxima
rad
×
×
=
÷
÷
÷
ø
ö
ç
ç
ç
è
æ
=
×
=
÷
÷
÷
ø
ö
ç
ç
ç
è
æ
=
·
·
s
e
s
)
T
-
(
"
4
VIZ
4
S
rad
rad
T
A
q
q
×
×
=
÷
÷
÷
ø
ö
ç
ç
ç
è
æ
=
·
s
e
Irradiação
 
T
4
VIZ
×
×
=
s
G
1
,
¥
T
2
,
¥
T
1
,
s
T
2
,
s
T
1
1
,
,
h
T
¥
2
2
,
,
h
T
¥
L
T
T
k
A
q
q
s
s
x
x
)
(
"
2
,
1
,
-
=
=
x
x
q
q
"
1
,
¥
T
kA
L
q
T
T
R
x
s
s
cond
t
=
-
=
2
,
1
,
,
hA
q
T
T
R
s
conv
t
1
,
=
-
=
¥
A
h
kA
L
A
h
R
total
2
1
1
1
+
+
=
1
,
¥
T
4
,
¥
T
4,
s
T
4
4
,
,
h
T
¥
å
¥
¥
-
=
t
x
R
T
T
q
4
,
1
,