Transferência de calor

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TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
 
1. Introdução 
Em linhas gerais, podemos definir calor como sendo energia térmica em trânsito devido a 
uma diferença de temperaturas no espaço. 
A ciência que se preocupa com a determinação das taxas de transferência de energia é a 
transferência de calor. Todos os processos de transferência de calor podem ser quantificados 
através de equações de taxa. Já por outro lado, a termodinâmica trata apenas da quantidade de 
calor transferida quando um sistema passa de um estado de equilíbrio para outro. 
Como engenheiros, é importante que saibamos quais os mecanismos físicos que 
fundamentam a transferência de calor. Estes mecanismos são reconhecidos distintamente por: 
condução, convecção e radiação. 
 
1.1 Condução 
 O mecanismo de condução está associado com as atividades atômicas e moleculares da 
matéria. Podemos visualizar a condução como a transferência de energia das partículas mais 
energéticas para as menos energéticas de uma substância devido às suas interações. 
 Para a condução térmica, a equação da taxa é conhecida como lei de Fourier. Um resumo 
dessa lei é mostrado no quadro a seguir. 
 
Ex. (1.1) As superfícies interna e externa de uma parede de tijolos de 4 m × 7 m e 30 cm de 
espessura são mantidas em temperaturas de 26 ºC e 8 ºC, respectivamente. A condutividade 
térmica da parede é de 0,69 W/m.K. Determine a taxa de transferência de calor por meio da 
parede. 
 
Ex. (1.2) Trechos de um oleoduto que atravessa o Alasca encontram-se acima do solo e são 
sustentados por suportes verticais de aço (k = 25 W/m.K) que possuem comprimento de 1 m e área 
de seção transversal de 0,005 m2. Em condições normais de operação, sabe-se que a variação da 
temperatura ao longo do suporte é governada por uma expressão com a forma T = 100 – 150x + 
10x2, na qual T e x possuem unidades de ºC e m, respectivamente. Determine a temperatura e a 
taxa de condução de calor na junção suporte-oleoduto (x = 0) e na interface suporte-solo (x = 1m). 
 
1.2 Convecção 
 
Convecção é o modo de transferência de energia entre uma superfície sólida e um fluido 
que está escoando, e que envolve os efeitos combinados de condução e de movimento do fluido. 
Uma consequência da interação entre o fluido e a superfície é o desenvolvimento da 
camada-limite hidrodinâmica e da camada-limite térmica. 
 
 
 
A convecção é chamada convecção forçada se o fluido é forçado a fluir sobre a superfície 
por meios externos como ventiladores, bombas ou o próprio vento. Em contrapartida, a convecção 
é chamada convecção natural (ou livre) se o movimento do fluido é causado por forças de 
flutuação induzidas por diferenças de densidade, decorrentes da variação da temperatura no fluido. 
A taxa de transferência de calor por convecção é proporcional à diferença de temperatura, 
sendo expressa pela lei do resfriamento de Newton como: 
 
  TThAq ss 
onde: 
h é o coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m2.K]; 
As é a área da superfície onde ocorre troca térmica [m
2] 
 
Em termos de fluxo, a lei de resfriamento de Newton toma a seguinte forma: 
  TThq s'' 
 
Ex. (1.3) Um aquecedor elétrico encontra-se no interior de um longo cilindro de diâmetro igual a 
30 mm. Quando água, a uma temperatura de 25 ºC e velocidade de 1 m/s escoa 
perpendicularmente ao cilindro, a potência por unidade de comprimento necessária para manter a 
superfície do cilindro a uma temperatura uniforme de 90 ºC é de 28 kW/m. Quando ar, também a 
25 ºC, mas a uma velocidade de 10 m/s está escoando, a potência por unidade de comprimento 
necessária para manter a mesma temperatura superficial é de 400 W/m. Calcule e compare os 
coeficientes de transferência de calor por convecção para os escoamentos de água e de ar. 
 
1.3 Radiação 
 
Radiação é a energia emitida pela matéria sob a forma de ondas eletromagnéticas (ou 
fótons) como resultado das mudanças nas configurações eletrônicas de átomos ou moléculas. Ao 
contrário da condução e da convecção, a transferência de calor por radiação não exige a presença 
de um meio físico ou material. 
Em nossos estudos, estamos interessados em radiação térmica, que é a forma de radiação 
emitida pelos corpos por causa de sua temperatura. Todo corpo com temperatura diferente de zero 
emite radiação. 
O fluxo de energia térmica liberado por uma superfície é conhecido como poder emissivo 
E, sendo que seu limite superior é dado pela lei de Stefan-Boltzmann 
4
sTE  
onde: 
Ts é a temperatura da superfície [K] 
σ é a constante de Stefan-Boltzmann, cujo valor é 5,67 × 10-8 W/m2.K4 
O fluxo térmico emitido por uma superfície real é dado por: 
4
sTE  
em que ε é uma propriedade radiante da superfície conhecida por emissividade. Um radiador ideal 
(ou seja, com ε = 1) é chamado de corpo negro. O corpo negro também é um absorvedor ideal, 
absorvendo toda a energia que incide sobre ele. A figura a seguir ilustra um exemplo de um corpo 
negro: uma cavidade que absorve toda a radiação incidente e que após um certo tempo, passa a 
emitir essa radiação para o exterior. 
 
 
A taxa de transferência de calor por radiação pode ser expressa como:
 
 44 vizs TTAq   
Ou em termos do coeficiente de transferência de calor por radiação hr: 
 vizsr TTAhq  
onde: 
  22 vizsvizsr TTTTh   
 
Ex. (1.4) Uma tubulação de vapor de água sem isolamento térmico atravessa uma sala que está a 
25 ºC. O diâmetro externo do tubo é de 70 mm, a temperatura de sua superfície é de 200 ºC e sua 
emissividade é 0,8. Considerando um coeficiente de transferência de calor por convecção da 
superfície para o ar de 15 W/m2.K, calcule o poder emissivo e a taxa de calor perdida pela 
superfície por unidade de comprimento do tubo.