Mecanismos de Transferência de Calor

Mecanismos de Transferência de Calor Profa Carolina Brito Importante este material tem fins didáticos Não é permitida sua reprodução divulgação ou compartilhamento Área 1 Física IIIc 1 Termodinâmica algumas ideias e conceitos 2 Equilíbrio Lei Zero da Termodinâmica 3 Dilatação Térmica 4 Calorimetria 5 Mecanismos de Transferência de Calor 6 Primeira Lei da Termodinâmica Profa Carolina Brito Convecção é preciso haver meio material ocorre movimento do próprio meio comum em fluidos Radiação Térmica não há necessidade de meio material a troca de calor é feita por meio de ondas eletromagnéticas Condução é preciso haver meio material não ocorre movimento do próprio meio comum em sólidos e fluidos Três mecanismos de transferência de calor Convecção Gotícula de água esquenta em T1 dilata diminui a densidade sobe ao encontrar T0 esfria diminui Volume aumenta densidade desce As correntes de convecção ocorrem apenas se a diferença entre T1 e T0 forem acima de um certo valor T1T0 T0 Convecção mecanismo relevante em diversas escalas PS a densidade da água depende da temperatura e salinidade numa panela no interior da Terra na atmosfera nos oceanos Radiação Propagação de energia através de ondas eletromagnéticas Enorme espectro de ondas eletromagnéticas Diferentes mecanismos de interação com a matéria ionização vibração e rotação molecular Radiação Térmica httpwwwanimationsphysicsunsweduaujwthermalradiationhtm Qualquer corpo com T0 emite energia via radiação eletromagnética O espectro de emissão depende da sua temperatura absoluta Corpo humano emite na frequência corresponde ao infravermelho Câmara térmica essencialmente captura radiação no infravermelho Temperatura na superfície do Sol T 6000K ele emite radiação ppte na frequência do visível esquenta a Terra Temperatura média da Terra 300K ela emite radiação ppte na frequência do infravermelho Parte do que a Terra reemite volta para o espaço parte fica retido na sua atmosfera A Terra retém calor por um processo chamado Efeito Estufa O que é Radiação Térmica e o Efeito Estufa T 6000K Descoberto por Joseph Fourier em 1824 Gases ditos de efeito estufa absorvem algumas frequências e reemitem Sem o Efeito Estufa a temperatura média da Terra seria 15C menor do que é O Efeito Estufa é um fenômeno natural Outros Gases 1 H20 CO2 Ar Ne He Bandas de absorção dos gases H20 O2 CO2 INCT da Criosfera 2014 Compreendendo as Mudanças Climáticas Flávia Moraes et al O que não é natural é o excesso de gases de efeito estufa INCT da Criosfera 2014 Compreendendo as Mudanças Climáticas Flávia Moraes et al 100 ppm 120mil anos 100 ppm menos de 200 anos Variação do CO2 em 200 anos é maior do que nos 800 mil anos anteriores E daí quais são as consequências Aquecimento global httpsyoutube3sqdyEpklFU Aumento de eventos extremos Derretimento acelerado do gelo Aumento do nível do mar Extinção acelerada de espécies ótima fonte de informação httpsclimatenasagov Palestra de divulgação sobre mudanças climáticas Simplifísica httpsyoutubeE93cdMNsy30 Condução de Calor Os materiais devem estar em contato físico e estar a temperaturas diferentes T1 T0 T0 Como quantificar o calor conduzido Resultados experimentais I O calor flui das regiões de temperatura mais elevada para as de menor temperatura II Durante um intervalo de tempo Δt o calor Q transferido é IIa proporcional à TT2T1 IIb inversamente proporcional à espessura da placa III é proporcional à área de contato A através da qual flui o calor Q A IV é proporcional ao intervalo de tempo t durante o qual flui calor Q t Condução de Calor Condução de Calor I II III IV taxa com a qual o calor flui Condução de Calor I II III IV Constante de proporcionalidade Condutividade térmica x1 x2 fluxo de calor gradiente de temperatura O sinal é porque o fluxo de calor é no sentido contrário ao do gradiente de temperatura Condução de Calor I II III IV Constante de proporcionalidade Condutividade térmica x1 x2 fluxo de calor gradiente de temperatura No caso infinitesimal Analogia fluxo de calor vs corrente elétrica Área A condutividade elétrica condutividade térmica Gradiente do potencial elétrico Gradiente de temperatura Fluxo de calor Fluxo de carga elétrica Fluxo de calor i Valores típicos de condutividades térmicas Façamos uma experiência imaginária Imagine que você está sentado na cadeira abaixo A estrutura da cadeira é feita de alumínio kAl235WmK e o local onde a pessoa senta é feita de madeira kmad015 WmK Suponha que temperatura ambiente seja é de 20C a Pelo que vimos nas primeiras aulas de termodinâmica a que temperatura estarão a estrutura e o local onde a pessoa senta b Qual das duas partes de alumínio ou madeira parece estar a uma temperatura mais elevada Por quê Exemplo 1 Condução de calor numa barra homogênea Barra homogênea feita de um só material Não há troca de calor nas laterais da barra somente nas extremidades Seção reta A comprimento l e tem extremidades mantidas em contato com reservatórios térmicos de temperaturas T2 e T1 T2 No regime estacionário T não depende do tempo Depende apenas de x TTx O fluxo de calor Qt não pode depender de x Ele é o mesmo em qualquer seção reta onde cortarmos a barra Ou seja Qtconstante Analogia com o fluxo de carga se não houver perda de carga através das laterais do fio a corrente iqt constante Como é o perfil de temperatura na barra Condução de calor numa barra homogênea Resistência Térmica a Calcule a taxa com que o calor flui para fora do corpo de um esquiador através de suas roupas Utilize os seguintes dados área da superfıcie do corpo 18 m2 espessura da roupa 1 cm temperatura da superfıcie da pele 33 C temperatura da superfície exterior da roupa1C condutividade térmica da roupa 004 W mK b Como a resposta anterior mudaria se depois de uma queda as roupas do esquiador ficassem ensopadas de água Condutividade térmica da água igual a 06 W mK c No inverno porque ficamos com sensação de frio quando a roupa está molhada Exemplo 2 T233C T11C Qt Taxa com a qual perde calor Dados A18m2 x001m kroupa004 Wmk a Calcule a taxa com que o calor flui para fora do corpo de um esquiador através de suas roupas b Como a resposta anterior mudaria se depois de uma queda as roupas do esquiador ficassem ensopadas de água Condutividade térmica da água igual a 06 W mK Exemplo 2 T233C T11C Qt Taxa com a qual perde calor Dados A18m2 x001m kroupa004 Wmk a roupa seca k004 WmK Qt 004 WmK 18m2 331 K001m 223 W ou Js b roupa molhada k06 WmK Qt 06 WmK 18m2 331 K001m 3348 W ou Js c No inverno porque ficamos com sensação de frio quando a roupa está molhada E se a barra não for homogênea kv kv kar Como calcular a condutividade térmica efetiva do material Condução de calor numa barra não homogênea Barra com dois tipos de materiais os quais têm condutividade térmica diferentes Não há troca entradasaída de calor nas laterais da barra somente nas extremidades Seção reta A comprimento l e tem extremidades mantidas em contato com reservatórios térmicos de temperaturas T2 e T1 T2 T T2T1 Analogia Fio com dois tipos de materiais os quais têm condutividade elétrica diferentes Não há troca entradasaída de cargas nas laterais da barra somente nas extremidades Seção reta A comprimento l e tem extremidades mantidas em contato com uma bateria criando uma diferença de potencial U U2U1 l1 i l2 Condução de calor numa barra não homogênea l1 i l2 fluxo de calor Q Se não há perda de calor carga nas laterais o fluxo é constante ao longo de toda a barra fio elétrico fluxo de carga q Condução de calor numa barra não homogênea l1 i l2 fluxo de calor Q O que ocorre com a Temperatura Potencial elétrico ao longo da barra fio elétrico É constante ou varia fluxo de carga q Condução de calor numa barra não homogênea 2 1 2 1 Isola o T0 Condução de calor numa barra não homogênea E substitui o T0 em uma das equações Pex Condução de calor numa barra não homogênea Resistência Térmica Dispositivo composto por n materiais Reservatório térmico à temperatura mais elevada TQ Reservatório térmico à temperatura menos elevada TF Exemplo 3 Uma chaleira de alumínio contendo água em ebulição a 100C está sobre uma chama O raio do fundo da chaleira é de 75cm e sua espessura é de 2mm A condutividade térmica do alumínio é kAl049 calscmC A chaleira vaporiza 1 litro equivale a 1kg de água em 5 min O calor de vaporização da água a 100C é de Lv540 calg Despreze as perdas pelas superfícies laterais e responda a A que temperatura está o fundo da chaleira b Se tiver uma superfície de vidro com espessura de 2mm entre a chama e a chaleira quanto tempo levaria para vaporizar a mesma quantidade de água kv00024calscmC Exemplo 3 Uma chaleira de alumínio contendo água em ebulição a 100C está sobre uma chama O raio do fundo da chaleira é de 75cm e sua espessura é de 2mm A condutividade térmica do alumínio é kAl049 calscmC A chaleira vaporiza 1 litro equivale a 1kg de água em 5 min O calor de vaporização da água a 100C é de Lv540 calg Despreze as perdas pelas superfícies laterais e responda a A que temperatura está o fundo da chaleira b Se tiver uma superfície de vidro com espessura de 2mm entre a chama e a chaleira quanto tempo levaria para vaporizar a mesma quantidade de água kv00024calscmC Tf Ta100C Qt a Exemplo 3 Uma chaleira de alumínio contendo água em ebulição a 100C está sobre uma chama O raio do fundo da chaleira é de 75cm e sua espessura é de 2mm A condutividade térmica do alumínio é kAl049 calscmC A chaleira vaporiza 1 litro equivale a 1kg de água em 5 min O calor de vaporização da água a 100C é de Lv540 calg Despreze as perdas pelas superfícies laterais e responda a A que temperatura está o fundo da chaleira b Se tiver superfície de vidro com espessura de 2mm entre a chama e a chaleira quanto tempo levaria para vaporizar a mesma quantidade de água kv00024calscmC Tf Ta100C Qt b kAl kv lv lAl Qt t 257090s 71h