Fundamentação básica

Segundo Incropera e de Witt (2001) a transferência de calor consiste no trânsito de energia térmica provocado por uma diferença de temperatura. Desta forma, toda vez que houver uma diferença de temperatura num meio, ou entre vários

meios a tranferência de calor ocorre obrigatoriamente. Existem três diferentes tipos de de processos de transferência de calor:

 Denominamos condução à transferência de calor que ocorre num meio quando existe um gradiente de temperatura neste referrido meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido.

 Convecção se refere à transferência de calor que ocorre entre uma superfície e um fluido em movimento, quando houver diferença de temperatura entre eles.

 O terceiro modo de transferência de calor é a radiação térmica, que ocorre quando todas as superfícies numa temperatura finita emitem energia na forma de ondas eletromagnéticas. Por isso, na ausência de um meio interveniente, há transferência líquidade calor por radiação entre duas superfícies em temperaturas diferentes.

A distribuição das temperaturas em um corpo qualquer é controlada por apenas dois processos, condução e convecção, e não é possível isolar completamente um processo da influência do outro. No entanto, é usual a separação dos mesmos sem implicar erros significativos, simplificando, portanto, a análise térmica.

Desta forma, na consideração do concreto nas primeiras idades a transferência de calor será estudada por dois modos: condução e convecção, como pode ser observado na figura 4.1.

4.2.1 Condução

A condução é o processo típico de transmissão de calor dentro de um sólido. Neste processo de transferência de calor a troca de energia térmica é efetuada pelo movimento aleatório das moléculas, sendo necessário, portanto evocar os conceitos de atividade atômica e atividade molecular, pois são os processos nesse níveis que produzem a transferência de calor por condução. A condução pode ser considerada como a transferência de energia das partículas mais energéticas de um meio para as partículas menos energéticas, graças às interações entre as partículas.

Considerando um meio qualquer, a temperatura, em qualquer ponto, está associada à energia das moléculas na vizinhança daquele ponto. A energia relaciona-se ao movimento de translação aleatório das moléculas e também aos movimentos de rotação e vibração das mesmas. Além disso, as temperaturas mais elevadas estão associadas às energias moleculares mais altas, e, quando moléculas vizinhas colidem ocorre a tranferência de energia da molécula mais enérgica para a molécula menos enérgica. Na presença de um gradiente de temperatura, a transferência de energia pela condução deve ocorrer na direção da diminuição da temperatura, como evidenciado pela figura 4.2.

Figura 4.2 – Associação da transferência de calor por condução à difusão da energia provocada pela atividade molecular.

Um exemplo de transferência de calor por condução é o caso da concretagem de uma barragem em camadas, onde a camada colocada sobre a outra, previamente existente. O calor gerado pelas reações de hidratação da peça recém concretada será transmitido por condução à peça existente através sua superfície de contato.

A transferência de calor por condução num sólido pode ocorrer em dois tipos de regimes, o estacionário e o transiente. O regime é considerado estacionário quando o fluxo de calor e a temperatura, em qualquer ponto, não variam ao longo do tempo. Já na transferência de calor em regime transiente, a temperatura muda não só com a posição no interior do corpo, ela também muda com o tempo em uma mesma posição; tanto a taxa de transferência de calor através do corpo, como a energia interna do corpo mudam com o tempo.

4.2.2 Convecção

A convecção é a transferência de calor entre a superfície de um corpo e de um fluido em movimento, por exemplo, o ar, quando existe uma diferença de temperatura entre os dois.

O modo de transferência de calor pela convecção compreende dois mecanismos. Além da transferência de energia provocada pelo movimento molecular aleatório (difusão), a energia também se transfere pelo movimento de massa, ou movimento macroscópico, do fluido. Esse movimento do fluido está associado ao fato de, em qualquer instante, um grande número de moléculas estar se movendo coletivamente ou em agregados. Esse movimento, na presença de um gradiente de temperatura, provoca a transferência de calor.

Em virtude das moléculas dos agregados continuarem a ter os respectivos movimentos aleatórios, a transferência total de calor se deve à superposição do transporte de energia pelo movimento aleatório das moléculas e ao transporte de energia provocado pelo movimento de massa do fluido.

Considera-se o termo convecção para indicar o transporte acumulado pelo movimento aleatório das moléculas e o termo advecção para identificar o transporte devido ao movimento de massa do fluido.

O ponto de interesse do presente trabalho na consideração da convecção, é quando a mesma ocorre entre um fluido em movimento e uma superfície limitante, estando estes dois em temperaturas diferentes, como pode ser observado na figura 4.3.

Figura 4.3 – Transferência convectiva de calor entre uma superfície limitante e um fluido em movimento

Uma conseqüência da interação do fluido com a superfície é o desenvolvimento de uma região no fluido na qual a velocidade varia desde zero, na superfície, até um valor finito, associado ao escoamento. Essa região do fluido é conhecida como a camada hidrodinâmica, a camada de velocidade ou a camada limite. Além disso, se a superfície e o fluido escoante tiverem temperaturas diferentes, haverá uma região no fluido através da qual a temperatura varia desde a temperatura da própria superfície até a temperatura externa. Essa região, denominada de camada limite térmica, pode ser menor ou maior que a camada através da qual a velocidade varia, ou ter o mesmo tamanho que esta. Em qualquer um dos casos, se a temperatura da superfície for maior que a temperatura externa, a transferência convectiva de calor ocorrerá da superfície para o escoamento externo.

O modo de transferência convectiva de calor é sustentado pelo movimento molecular aleatório e pelo movimento macroscópico do fluido no interior da camada limite.

A contribuição devida ao movimento molecular aleatório, ou difusão, domina nas vizinhanças da superfície, onde a velocidade do fluido é baixa. Na realidade, na interface entre a superfície e o fluido, a velocidade do fluido é nula e o calor é transferido exclusivamente pelo movimento molecular.

A contribuição devida ao movimento macroscópico do fluido se deve ao fato de a camada limite crescer a medida que o escoamento avança na horizontal. Desta forma, o calor conduzido para essa camada é arrastado pela corrente do fluido e se transfere para o fluido externo à camada limite.