Transferência de Calor: Conceitos e Processos

Transferência de calor 11 Calor Forma de energia que se transmite espontaneamente de um corpo para o outro quando entre eles existir uma diferença de temperatura O calor é uma energia em trânsito provocada por um gradiente de temperatura Grandeza mensurável Temperatura Não há necessidade de dois corpos pode o calor ser transferido de um ponto a outro dentro do mesmo corpo Ex aquecimento da ponta de uma faca 13 Transferência de Calor Explica os modos de transferência como o calor se propagada e as taxas que ocorrem A diferença entre a Termodinâmica e a Transferência de Calor é que a Termodinâmica estuda sistemas em equilíbrio não há gradiente de temperatura 12 Fluxo de Calor Relação entre a quantidade de calor transmitido e o tempo gasto na transmissão Unidades Js W Btuh cals q Q t 14 Processos de Transferência de Calor Condução Quando há gradiente de temperatura num meio estacionário sólido ou fluido Convecção É o processo de transferência de calor executado pelo escoamento de fluido O fluido atua como transportador de energia que é transferida da parede ou para a parede Radiação É um processo eletromagnético e independe do meio 2 Transferência de calor por condução 21 Condução É o modo de transferência de calor em que há troca de energia de uma região de maior temperatura para uma de menor temperatura pelo movimento cinético ou pelo impacto das moléculas no caso de um fluido em repouso e pelo movimento de elétrons no caso de metais CONDUÇÃO Sólidos Líquidos Gases É um processo que predomina nos sólidos menor espaço interatômico ocorrendo também em menor intensidade nos líquidos e gases 22 Lei de Fourier A taxa de transferência de calor é proporcional por unidade de área a variação de temperatura ou q kA T x x q k T x x A Área perpendicular a direção do fluxo de calor gradiente de temperatura na direção do escoamento significa fluxo por área k coeficiente de condutividade térmica Wm K indica a rapidez com que se transfere o calor K fT tipo de material T x Exemplos Prata 410 Wm K Mármore 208 Wm K Água 0556 Wm K Cobre 385 Wm K Lã de vidro 0038 Wm K Ar 0024 Wm K Transferência de calor por condução unidimensional 3 Transferência de calor por convecção 31 Convecção É o processo de transferência de calor executado pelo escoamento de um fluido O fluido atua como transportador de energia que é transferida da parede ou para a parede 32 Tipos de Convecção Natural ou Livre O gradiente de temperatura ocasiona uma diferença de densidade e há a movimentação do fluido Contração térmica T V Dilatação térmica T V Forçada O movimento do fluido é causado pela atuação de uma força externa sobre o sistema Ex uso de bombas ventiladores ou sopradores 34 Lei de Newton do resfriamento q hA Tp T ou q h Tp T q fluxo de calor W q fluxoárea Wm2 A área da superfície em contato com o fluido Tp temperatura da superfície T temperatura do fluido h coeficiente de filme ou de convecção O coeficiente de filme depende das condições existentes na camada limite como propriedades do fluido k Cp v características do escoammento interno ou externo posição e geometria da superfície temperaturas etc Somente em condições bem simples é que podemos determinar analiticamente o h geralmente é determinado experimentalmente Coeficientes médios de convecção Convecção Livre Gases 2 25 Wm2K Líquidos 50 1000 Wm2K Convecção Forçada Gases 25 250 Wm2K Líquidos 50 20000 Wm2K Ebulição Condensação 2500 100000 Wm2K 4 Transferência de calor por radiação 41 Radiação A energia é transportada através de ondas eletromagnéticas A emissão pode ser atribuída as modificações das configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que a constituem O termo radiação é utilizado a todos os fenômenos eletromagnéticos ondas de rádio raios X gama ultra som etc mas só são de interesse determinados comprimentos de onda que resultem em energia térmica 42 Lei de Stefan Boltzman Todo corpo emite energia em virtude da sua temperatura e a taxa de emissão de energia térmica obedece a Lei de Stefan Boltzmann q AσT4 ou q σT4 constante de Stefan Boltzmann 56697x108 Wm2 K4 emissividade 0 1 T temperatura absoluta K ou Ra 5 Mecanismos combinados De uma maneira geral a transferência de calor de um determinado corpo ocorre pelos três modos de transferência de calor simultaneamente Exemplo considere regime estacionário no sólido abaixo Ti Tp T Balanço q cond q conv q rad kA T T x hA T T A T Tviz 2 1 2 2 4 4 5 Regimes de Transmissão Estacionário permanente T fxyz posição do ponto Transiente transitório T fxyzt posição do ponto e tempo aquecimento ou resfriamento