Transferência de Calor: Conceitos e Propriedades Térmicas

FCM 208 Física Arquitetura Calor energia e transferência de calor Prof Dr José Pedro Donoso Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos IFSC Escalas de Temperatura Transformação de graus Celsius a Fahrenheit T oC 0556ToF 32 Conversão graus Kelvin TKelvin T oC 273 O calor passa de um lugar para outro por 1 condução trânsferência de calor que ocorre através do meio 2 convecção transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento o vento por exemplo 3 radiação térmica toda superfície a uma temperatura maior que zero Kelvin emite energia na forma de ondas eletromagnéticas Processos de Transferência de Calor Exemplo Processos de transferência de calor numa garrafa térmica com café quente Incropera DeWitt Fundamentos de transferência de calor e de massa Editora LTC Transferência de calor por condução A taxa de transmissão de calor Qt através de uma camada de espessura d de um material é proporcional a área A e a diferença de temperatura entre as duas faces T d kA T t Q K condutividade térmica do material WmK Valores típicos cobre k 393 WmK tijolo 069 vidro 078 madeira de pinho 013 cimento 029 argamassa 116 concreto 137 chapa cimento amianto 074 Insulex 0064 lâ de vidro 0038 WmK CONDUTIVIDADES TÉRMICAS SUBSTÂNCIA k Wm K Metais Alumínio 2050 Latão 1090 Cobre 3850 Chumbo 347 Mercúrio 83 Prata 4060 Aço 502 Diversos sólidos valores típicos Tijolo isolante 015 Tijolo vermelho 06 Concreto 08 Cortiça 004 Feltro 004 Fibra de vidro 004 Vidro 08 Gelo 16 Lã mineral 004 Isopor 001 Madeira 012004 Gases Ar 0024 Argônio 0016 Hélio 014 Hidrogênio 014 Oxigênio 0023 1000 Prata 999 Cobre puro 100 Magnésio puro Chumbo Mercúrio Óxido de alumínio UO2 denso Magnésia Tijolo refratário queimado a 1330C Água Hidrogênio Óleo de máquina Placa de amianto 40 laminaçõespolegada Ar CO2 01 001 0001 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Condutividade térmica Wm C Temperatura C Sólidos Líquidos Gases à pressão atmosférica Na construção civil costumase utilizar o conceito de resistência térmica R dk Quando há várias camadas da mesma superfície A a resistência vale R R1 R2 R3 Neste caso a taxa de perda de calor é R A T t Q Aplicações 1 Em julho de 1988 a temperatura atingiu 10 oC no Rio Grande do Sul a Calcule a que taxa perde calor uma parede de tijolo de 6 m 4 m e 13 cm de espessura A temperatura interna é de 23 oC Condutividade térmica do tijolo k 074 WmK b Calcule a taxa de perda de calor através de uma janela de vidro de 260 180 m2 de área e 3 mm de espessura c Se instala uma janela reforçada com uma lacuna de ar de 2 cm entre dois vidros da mesma espessura Qual será a taxa de perda de calor presumindose que a condução seja o único mecanismo importante de perda de calor A condutividade termica do ar é 0026 WmK Respostas a Qt 45 103 W b 515 kW c 200 W B Walpole Ciência Divertida Ar Melhoramentos 1991 José de Lima Acioli Física Básica para Arquitetura Editora UnB 1994 2 Considere um dia muito frio de inverno em Campos de Jordão a Calcule a que taxa o calor de um corpo flui para fora através das roupas de uma pessoa sendo que a área da superficie do corpo é de 18 m2 e as roupas têm 12 cm de espessura A temperatura superficial da pele é de 33 oC enquanto a superficie externa das roupas está a 1 oC A condutividade termica das roupas é 0040 WmK b Como muda a resposta se após uma queda as roupas ficam molhadas k 060 WmK Respostas a perda de calor através da roupa a Qt 192 W b 29 kW 3 Uma lamina de madeira de ¾ de espessura é utilizada para o forro de um quarto de 18 m2 Num dia quente a superfície superior do forro está a 40 oC 313 K enquanto a superfície inferior está a 25 oC 298 K Calcule a taxa de calor transferido do forro para o ar do quarto Como muda a resposta se o forro do quarto for constituido por um sandwich de 4 de lâ de vidro entre duas láminas de madeira de ¾ Respostas a 19 kW b 91 W 4 A face externa de uma parede de tijolos de 20 cm de espessura de uma sala esta a 40 oC e a face interna esta a 25 oC Devido a essa diferença de temperatura se estabelece uma transferência de calor de fora para dentro Qual a espessura que deve ter uma camada de feltro forrando a parede interna para que a taxa de transmissão de calor seja reduzida á metade A condutividade termica do feltro é k 0042 WmK e a do tijolo 1 WmK Resposta 12 cm Uma caixa de isopor usada para manter bebidas frias possui uma área total de 08 m2 A espessura da parede é 2 cm A caixa está cheia de água gelo e latas de refrigerantes a Qual a taxa do fluxo de calor para o interior da caixa se a temperatura da parede externa for 30 ºC b Qual é a quantidade de gelo que se liquefaz durante um dia Respostas a 12 W b 31 kg Young Freedman Sears Zemansky Física II Pearson 2007 A figura mostra a neve no telhado onde as vigas permanecem geladas O telhado está bem isolado O calor flui dos cômodos interiores aquecidos passa entre as vigas e derrete a neve E Hecht Physics Brooks Cole 1994 Uma forma de retardar a transferência de calor é usar um isolante térmico A madeira é um bom isolante térmico já que não retira muito calor de sua mão Trefil Hazen Física viva LTC 2006 Neste processo o calor é transferido pelo movimiento do médio líquido ou ar A taxa de transmissão de calor Qt do objeto quente para o medio que o rodeia é proporcional a área A do objeto e a diferença de temperatura T Transferência de calor por convecção hA T t Q onde o coeficiente de convecção h depende da forma e orientação do objeto e das propriedades de transferência do médio O coeficiente de convecção natural do ar para uma placa ou parede vertical é h 177 T14 Wm2K Aplicação Analise o processo de transferência de calor no caso de uma panela com água colocada no fogão Resposta a água quente no fundo da panela se expande ligeiramente e portanto diminui sua densidade Esta água quente se elevará então para a superfície enquanto a água fria mais densa vai para o fundo da panela Este movimento de convecção é responsável pelo aquecimento homogêneo da água Trefil Hazen Física viva LTC 2006 Cutnell Johnson Physics Wiley 1995 Cutnell Johnson Physics Wiley 1995 Sala O ar aquecido pela unidade de aquecimento no piso se eleva até o teto do quarto empurrado pelo ar frio mais denso Este movimento de convecção é responsável pelo aquecimento homogêneo do ar na sala Geladeira o ar esfriado pela serpentinas de refrigeração circula em direção ao fundo da geladeira Correntes de convecção U Amaldi Imagens da Física editora Scipione 2006 Correntes de convecção Transferência de calor por processos combinados de convecção e de condução Resistência térmica h A kA L h A R 2 1 1 1 R T t Q Incropera DeWitt Fundamentos de transferência de calor e de massa Editora LTC 2 A area exposta de um dispositivo eletrônico é 100 mm2 Para assegurarse de que a temperatura dessa superfície não passe de 50 oC 323 K quando a temperatura ambiente é de 35 oC o calor deve ser removido a uma taxa de 06 W Determine o coeficiente h de transferência de calor Resposta h 400 Wm2K 3 Uma janela de vidro de 5 mm de espessura tem área A 1 m2 O vidro está colocado entre o ar do quarto T 20 oC e o ar externo no inverno T 10 oC O coeficiente de transferência de calor do ar da sala para o vidro é h1 15 Wm2K enquanto que a convecção entre a superfície do vidro e o ar externo é h2 20 Wm2K A condutividade térmica do vidro é k 1 WmK Determina a perda de calor do ar da sala através do vidro Solução A resistência térmica total é R 1h1A0005kA1h2A 012 KW A perda de calor é Qt TR 247 W A colocação de aberturas nas coberturas aumenta a ventilação natural e arrastam o calor pela formação de uma camada de ar móvel entre o forro e o telhado O calor de insolação no verão incide sobre as telhas e aquece o forro Ennio Cruz da Costa Arquitetura Ecológica Editora E Blücher 2000 A refrigeração pode ser obtida por meio de pedras resfriadas por água A figura mostra uma casa com aquecimento solar por meio de ar quente e resfriamento por meio de terra Ennio Cruz da Costa Arquitetura Ecológica Editora E Blücher 2000 Circulação atmosférica Coleção Ciência Natureza Espaço e Planetas Time Life e Abril Livros 1995 As brisas que ocorrem nas regiões litorâneas podem ser explicadas pelas correntes de convecção associadas ao aquecimento da terra e do mar no decorrer do dia Durante o dia a terra está mais quente que o mar pois a água é uma substância que precisa de muito calor para se aquecer Então o ar mais quente em contato com a terra sobe por convecção e produz uma região de baixa pressão que aspira o ar que está sobre o oceano Sopra então a brisa marítima A noite o processo se inverte O ar sobre o mar mais quente sobe por convecção produzindo uma região de baixa pressão que aspira o ar que está sobre a terra Sopra assim a brisa terrestre Ferraro Penteado SoaresTorres Física Ed Moderna A água possui um calor específico mais elevado do que o do solo O calor do Sol produz um efeito relativamente menor sobre a água do mar do que sobre o solo portanto durante o dia o solo se aquece mais rapidamente do que o mar e se resfria mais rapidamente durante a noite A diferença de temperatura entre o solo e o mar dá origem a uma brisa que sopra do mar para a costa durante o dia e da costa para o mar durante a noite Young Freedman Sears Zemansky Física II Pearson 2007 Correntes de ar ascendentes térmicas são produzidos pelas correntes de convecção do ar aquecido pelo solo Na ausência de correntes de convecção no ar a poluição se acumula na forma de camadas de smog sobre New York Cutnell Johnson Physics Wiley 1995 O ar quente e umido é menos denso do que o ar frio seco e portanto se eleva até altitudes da ordem de 12 mil a 18 mil metros Uma nuvem de tempestade típica com um diâmetro de 5 km pode conter 5108 kg de água Quando esta umidade elevada se condensa e forma gotas de chuva ocorre a transferência de cerca de 1015 J de calor para a atmosfera superior O ar é empurrado pela chuva e cai criando fortes correntes descendentes e ventos superficiais Convecção em uma tempestade Young Freedman Sears Zemansky Física II Pearson 2007