Mecanismos de transferência de calor (Condução, Convecção e Radiação)

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO NORTE 
 
 
 
 
 
 
 
Mecanismos de transferência de calor: 
(Condução, Convecção e Radiação) 
 
 
 
 
 
 
Lara Lina da Costa Freitas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MANAUS/AM 
2020 
2 
 
Lara Lina da Costa Freitas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mecanismos de transferência de calor: 
 
(Condução, Convecção e Radiação) 
 
 
 
 
Pesquisa solicitada pelo professor 
Francisco Dinola Neto, para obtenção da 
nota da disciplina F.O.C na segunda are. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MANAUS/AM 
2020 
3 
 
Sumário 
1.INTRODUÇÃO ............................................................................................................................4 
1.2 APRESENTAÇÃO DOS MECANISMOS ......................................................................................4 
2. ENTENDO O QUE É TRANSFERÊNCIA DE CALOR .......................................................................5 
2.1 TRÊS PRINCIPAIS MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ............................................5 
3. TRANSFERÊNCIA POR CONDUÇÃO: ..........................................................................................5 
3.1 LEI FUNDAMENTAL QUE DESCREVE A CONDUÇÃO ................................................................6 
4. TRANSFERÊNCIA POR CONVECÇÃO ..........................................................................................7 
4.1 LEI BÁSICA PARA CONVECÇÃO ...............................................................................................8 
4.2 EXEMPLIFICAÇÃO E /OU APLICAÇÃO ......................................................................................9 
5. TRANSFERÊNCIA POR RADIAÇÃO .............................................................................................9 
5.1. EQUAÇÃO DO CORPO QUE TRANSFERE ENERGIA RADIANTE ..............................................10 
5.2 APLICAÇÕES ..........................................................................................................................10 
CONCLUSÃO ...............................................................................................................................12 
REFERÊNCIAS ..............................................................................................................................13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.INTRODUÇÃO 
Pesquisa referente ao estudo dos mecanismos de transferência de calor (passagem de calor 
dos corpos mais quentes para os corpos mais frios, isto é, dos corpos de maior temperatura 
para os de menor temperatura). Essa transferência pode acontecer por três meios 
1.2 APRESENTAÇÃO DOS MECANISMOS 
 condução que ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato 
físico direto. A convecção somente ocorre em líquidos e gases, que consiste na transferência 
de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído e a radiação, 
que consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Esta abordagem 
tem por objetivo permitir que sejam explanados os conhecimentos dessas três transferências. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. ENTENDO O QUE É TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
Observando a natureza verificamos a existência de diversas formas de energia, e que essas são 
transmitidas pelo espaço. Em destaque nesta pesquisa, a transferência de Calor (ou Calor) é 
exatamente energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que existir 
uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. 
Esta energia térmica é a fracção da energia interna de um corpo que pode ser transferida 
devido a uma diferença de temperaturas. Esta fracção é composta pelas formas de energia 
microscópicas (energia sensível e energia latente). 
Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, como 
mostra a figura 2.1 
 
 T1 T2 T T 
 
 T 
 Se T1 > T2 T1 > T > T2 
 
(2.1) 
Ocorre uma transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de 
menor temperatura até que haja equivalência de temperatura entre eles. Dizemos que o 
sistema tende a atingir o equilíbrio térmico. 
Está implícito na definição acima que um corpo nunca contém calor, mas calor é identificado 
com tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é, portanto, um fenômeno transitório, 
que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. 
 
2.1 TRÊS PRINCIPAIS MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de 
transferência de calor. Existem três mecanismos, 
condução, convecção e/ou radiação dependendo se ela se efetua através de sólidos ou de 
fluidos, entre sólidos separados por fluidos, entre fluidos separados por uma superfície sólida 
ou ainda entre superfícies sólidas entre as quais não existe matéria (vácuo absoluto). 
3. TRANSFERÊNCIA POR CONDUÇÃO 
Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido 
ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de 
calor por condução. A condução de calor ocorre quando o calor se propaga de molécula a 
molécula, isto é, quando por exemplo, colocamos a ponta de uma barra de metal para 
aquecer, as moléculas da ponta se agitam, fazendo com que as moléculas vizinhas se agitem. 
Essas também fazem suas vizinhas se inquietarem mais, fazendo o calor chegar até a outra 
extremidade da barra. 
Portanto a condução pode ser entendida como um processo pelo qual a energia é transferida 
de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio 
(sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. 
Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais 
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energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre 
elas. 
A figura 3.1 abaixo, configura um problema desse tipo. 
(3.1) 
 
 
3.1 LEI FUNDAMENTAL QUE DESCREVE A CONDUÇÃO 
Essa transferência que é efetuada, portanto, no sentido das temperaturas menores, ou seja, 
no sentido do gradiente (dt/dx) negativo. Veja figura 3.2 
 (3.2) 
É o que ocorre em gases, líquidos ou sólidos. Nos fluidos (especialmente nos gases, onde 
existem menores forças de coesão) surgem ainda colisões entre as partículas. Nos sólidos 
metálicos os elétrons livres favorecem esse processo. “A lei fundamental que descreve a 
condução térmica é a lei de Fourier (Joseph Fourier, 1768-1830) – eq.3.1 
 
(3.1) 
Por integração da eq.3 em estado estacionário (temperaturas constantes no tempo), obtém-se 
a eq. 3.2, considerando as condições fronteiras definidas na figura 3.2 e a condutividade 
térmica constante nesse intervalo de temperaturas: 
 
(3.2) 
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=209&Itemid=374#fig10
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=209&Itemid=374#fig107 
 
em que TS1 e TS2 são, respectivamente, as temperaturas na face esquerda e direita da parede 
e Rparede é a resistência térmica da parede, definida pela eq.3.3. 
 
(3.3) 
Se o material possuir uma condutividade térmica elevada, como é o caso dos metais (Tabela 
abaixo 3.1). 
 (3.1) 
a parede oferece pouca resistência à transmissão de calor por condução, e a queda de 
temperatura através da parede é baixa, isto é, se kT → ∞, Rparede → 0, TS1 ≈ TS2. Diz-se nesse 
caso que o material é bom condutor. Pelo contrário, se o material possuir uma condutividade 
térmica baixa é um péssimo meio de propagação de calor e diz-se que é um isolante. 
O calor transferido por unidade de tempo, ou a velocidade de transferência de calor, na 
direção 𝑄𝑋, W é proporcional à área de transferência perpendicular ao fluxo de calor 
(A=W×H, m2), e ao gradiente de temperaturas (dt/dx). A constante de proporcionalidade é 
uma propriedade física do material designada condutividade térmica (kT, W.m-1.K-1). O sinal 
negativo é necessário sempre que o gradiente seja negativo para que o calor, por convenção, 
tome um valor positivo. 
 
4. TRANSFERÊNCIA POR CONVECÇÃO 
Quando fervemos a água em uma panela, as moléculas de água que estão no fundo da panela 
são aquecidas primeiro; sabemos que quando a água se aquece, fica menos densa, isto é, sua 
densidade diminui, ficando mais leve. Assim a água aquecida no fundo da panela fica mais leve 
e sobe, dando lugar a água mais fria que estava na superfície; e a água mais fria desce. Forma-
se, então, uma corrente conduzindo calor. Essa transferência de calor damos o nome de 
transferência por convecção. 
 
Fica subtendido então que A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na 
transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor 
ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais 
frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de 
diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente 
para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos 
8 
 
denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos 
denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido. 
A figura 4.1 abaixo, configura um problema desse tipo 
 
 (4.1) 
 
 
4.1 LEI BÁSICA PARA CONVECÇÃO 
Apesar da complexidade matemática acrescida pelo movimento do fluido, especialmente 
quando esse movimento é aleatório, foi desenvolvido um modelo simples descrito pela eq. 4.1 
(é conhecida pela lei de Newton para o resfriamento, mais do que a equação de definição do 
coeficiente de transferência de calor. Este coeficiente não é uma propriedade física como a 
condutividade térmica na lei de Fourier e depende de algumas propriedades físicas do fluido, 
do tipo de movimento do fluido e da geometria da superfície que o fluido percorre) para o 
cálculo da velocidade de transferência de calor que traduz o resultado conjunto destes dois 
fenômenos. Quando a velocidade do fluido diminui e tende para zero, a contribuição do 
movimento macroscópico do fluido perde importância face ao processo da condução. 
 
(4.1) 
 
(4.2) 
sendo h o coeficiente de transferência de calor (W.m-2.K-1), A, a área de transferência de calor 
perpendicular ao fluxo de calor e ΔT a driving-force, isto é, a causa para ocorrer a transferência 
de calor (p.e. pode ser (TS-T∞) em que TS é a temperatura de uma superfície e T∞ é a 
temperatura do fluido que a envolve, estando este mais frio - Fig. 4.2). A Tabela 4.1 apresenta 
algumas gamas de valores típicos para o coeficiente de transferência de calor. 
9 
 
 (4.2) 
 
4.2 EXEMPLIFICAÇÃO E /OU APLICAÇÃO 
Imagine, se a agitação do fluido for elevada, o valor de h também será elevado e a resistência 
do fluido à transferência de calor, descrita pela eq.4.2, será muito pequena (diz-se que o fluido 
não oferece resistência à transmissão de calor sendo TS ≈ T∞). Como se pode ver na Tabela 4
 (4.1) 
O coeficiente de transferência de calor toma valores mais elevados quando ocorre mudança de 
fase e mais baixos no caso de convecção natural em gases, devido simultaneamente aos 
valores baixos da velocidade e da condutividade térmica do fluido. Este coeficiente pode ser 
determinado por métodos analíticos (em situações muito simples) ou através de correlações 
empíricas . 
 (4.3) 
 
5. TRANSFERÊNCIA POR RADIAÇÃO 
É o processo pelo qual calor é transferido de um corpo sem o auxílio do meio interveniente, e 
em virtude de sua temperatura. Ao contrário dos outros dois mecanismos, a radiação não 
necessita da existência de um meio interveniente. 
• condução = colisão entre as partículas 
• convecção = transferência de massa 
• radiação = ondas eletromagnéticas 
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http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=248&Itemid=#7
10 
 
Existem certos tipos de ondas que transportam calor; os raios infravermelhos são um exemplo 
de onda que transporta calor por condução e convecção, a radiação não exige um meio 
material para se propagar. É assim que o calor do Sol chega até a terra. 
O James Clerk Maxwell(1831-1879), físico escocês, responsável pela descoberta teórica e 
matemática do eletromagnetismo defendia essa ideia. Com as chamadas equações de 
Maxwell, é possível prever a existência de ondas que se propagam no vácuo, cuja característica 
é a oscilação de campos elétricos e magnéticos. 
Dados conceitos acima, Designa-se por radiação térmica, toda a energia radiante emitida na 
gama de comprimentos de onda 0,1 a 100 μm do espectro eletromagnético (Fig 5.1) 
 (5.1) 
Resulta da emissão e propagação de ondas eletromagnéticas (ou fotões) por alteração na 
configuração electrónica de átomos e moléculas. Qualquer corpo com uma temperatura 
superior a 0 K emite energia radiante. 
Essa transferência de calor por radiação térmica ocorre através de sólidos, líquidos e gases e 
no vácuo, exceto nos sólidos e líquidos opacos à radiação térmica (que são a maioria). Como, 
em geral, os gases são pouco absorventes, a contribuição da radiação térmica para o calor 
total transferido não deve ser descurada nos cálculos de Engenharia quando se têm superfícies 
separadas por gases. 
5.1. Equação do corpo que transfere energia Radiante 
A energia radiante que um corpo emite é dada pela Lei de Stefan-Boltzmann (Josef Stefan 
1835-1893, Ludwig Boltzmann 1844-1906) aplicada a um corpo real 
 (5.1) 
sendo σ=5,67×10-8 W.m-2.K-4 a constante de Stefan-Boltzmann, ε, a emissividade da superfície 
emissora (0<ε≤1), A, a sua área e Ts a sua temperatura absoluta (K). Como se vê na eq. 5.1, a 
energia emitida é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta, pelo que a sua 
importância, relativamente aos outros mecanismos, aumenta com esta. 
 
5.2 APLICAÇÕES 
A energia associada às radiações solares possui diversas aplicações, nomeadamente em 
agricultura, em meteorologia, em sistemas de aquecimento e em geradores de eletricidade. 
11 
 
A Imagem (5.2) exemplifica bem uma situação em que ocorre o processo em questão. 
(5.2) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
12 
 
CONCLUSÃO 
Foram Definidos conceitos, aplicações e exemplos de sistemas físicos de transferência de calor, 
onde foi possível observar cada um dos mecanismos. E Quanto a uma dessas, transferência de 
energia que ocorre em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude 
de um gradiente de temperatura, aprendemos que o usado é o termo transferência de calor 
por condução. 
Já quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento 
emvirtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por 
convecção. 
E quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida 
na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas, 
usamos o termo radiação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
 
1. Novo Concursos, vestibulares & Enem. – São Paulo : DCL, 2017. – FICHA 3, 
transferência de calor – pag. 725. 
 
2. Física aula por aula: eletromagnetismo, física moderna, 3º ano / 3. ed. – SP 2016 pag. 
186 
 
3. http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=
248&Itemid=#2 
 
4. www.infopedia.pt/$mecanismos-de-transferencia-de-calor 
 
5. https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/50012285/APOSTILA_FT.pdf?1477940272=&re
sponse-content-
disposition=inline%3B+filename%3DINTRODUCAO_A_TRANSFERENCIA_DE_CALOR.pdf
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-
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