Transmissão de Calor - Sistemas de Energia Renovável

O calor é uma forma de energia que ﬂ ui de um corpo para outro quando existe uma diferença de temperaturas entre eles. A transmissão do calor pode ocorrer através de três processos:

– Condução;

– Convecção;

– Irradiação.

Condução, Convecção e Irradiação

A condução é o modo pelo qual o calor é transferido através de um meio material, de uma molécula (ou átomo) para sua vizinha.

A principal característica da condução é a transferência de energia sem a simultânea transferência de matéria.

As ﬁ guras abaixo mostram de forma ilustrativa a condução do calor em uma barra metálica. Note que, como nesse caso, a energia (calor) vai sendo trans- mitida átomo a átomo, a barra leva certo tempo para ter sua temperatura uniforme novamente.

A rapidez com que o calor é conduzido de uma extremidade a outra da barra vai depender de fatores tais como:

– comprimento da barra;

– diferença de temperatura entre suas extremidades;

– espessura da mesma e do material do qual é feita.

Existem materiais que são melhores condutores que outros, tendo uma maior condutibilidade térmica.

Vamos considerar uma parede de área A e espessura L, separando dois meios (1) e (2) com temperaturas diferentes ( e ₀). O calor passará através da parede do meio (1) para o meio (2) por condução.

Defi ne-se fl uxo de calor ( ), como sendo a quantidade de calor que atraves- sa a parede, por unidade de tempo. Suponhamos que as faces da parede sejam mantidas em temperaturas constantes ₀ e . Sendo o calor transmitido de uma face para outra, num intervalo de tempo Δt, o fl uxo de calor é defi nido por:

Em que:

k é uma constante de proporcionalidade que caracteriza o material que cons-

titui a parede, sendo chamada de coefi ciente de condutibilidade térmica. No SI, a unidade do fl uxo de calor é J/s, que é equivalente a watt (W); isto é, a unidade de fl uxo de calor é igual à unidade de potência.

O fl uxo de calor ( ) depende dos seguintes fatores:

• da área A da parede: é diretamente proporcional à área A, isto é, quan-

to maior a área, mais calor passa;

• da diferença de temperatura entre os meios (1) e (2): é diretamente proporcional à diferença de temperatura , Isto é, quanto maior a dife- rença de temperatura, maior a quantidade de calor que passa;

• da espessura da parede: é inversamente proporcional à espessura L da

parede, isto é, quanto mais espessa a parede, menor a quantidade de calor que passa.

A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre, principalmente,

nos fl uidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução, em que o calor é transmitido de átomo a átomo sucessivamente, na convecção a propagação do calor se dá através do movimento do fl uido, envolvendo transporte de matéria.

Quando certa massa de um fl uido é aquecida, suas moléculas passam a mover-se mais rapidamente, afastando-se, em média, uma das outras. Como o volume ocupado por essa massa fl uida aumenta, a mesma torna-se menos densa. A tendência dessa massa menos densa no interior do fl uido

como um todo é sofrer um movimento de ascensão ocupando o lugar das massas do ﬂ uido que estão a uma temperatura inferior.

Assim, a parte do fl uido mais fria (mais densa) move-se para baixo, tomando o lugar que antes era ocupado pela parte do fl uido, anteriormente, aque- cido. Esse processo se repete inúmeras vezes enquanto o aquecimento é mantido dando origem às chamadas correntes de convecção, pois são elas que mantêm o fl uido em circulação. Esse processo está ilustrado nas fi guras abaixo.

A irradiação é um processo no qual o calor se propaga sem a necessidade de um meio material. Por exemplo, a principal fonte de calor para a vida no nosso planeta provém do Sol, a radiação emitida pelo mesmo se propaga no espaço vazio até nos atingir. Sabemos que todos os corpos irradiam energia, sendo que esta depende da temperatura do corpo.

Fonte: http://www.sobiologia.com.br/fi guras/oitava_serie/irradiacao2.jpg

Exercícios

01. Uma barra de cobre tem 18 cm de comprimento e 4 cm2_{de área da}

secção transversal; uma de suas extremidades está imersa em vapor de água em ebulição sob pressão normal e a outra, numa mistura de gelo fundente e água. Considerando desprezíveis as perdas de calor pela superfície, deter- minar a corrente térmica da barra (ﬂ uxo).

Solução:

Dados:

Área: A = 4 cm2

Espessura: L = 18 cm

Constante de condutibilidade térmica: k = 0,92 cal/s. cmºC Variação de temperatura: = 100º C

20,4 cal/s

02. O fundo de uma panela é uma chapa de alumínio de espessura 0,40 cm e área 400 cm2_{, apresentando na face inferior a temperatura de 180ºC e}

100ºC na face superior. Sendo 0,50 cal/s.cm.ºC a condutibilidade térmica do alumínio, determine o ﬂ uxo caloríﬁ co conduzido através da chapa.

Solução: Dados: A = 400 cm2 L = 0,40 cm k = 0,50 cal/s.cm.ºC Δ = 80 ºC Pede-se: ﬂ uxo = ? = = .: = 40 000 cal/s

Resumo

Calorimetria

Calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas, quando as mesmas se dão na forma de calor.

Estudo das trocas de calor

Quando são colocados em contato dois ou mais corpos que se encontram em diferentes temperaturas, observa-se que, após certo intervalo de tempo, todos atingem uma temperatura intermediária entre as temperaturas iniciais. Durante esse processo, ocorre uma transferência de energia térmica

dos corpos de maior temperatura para os de menor temperatura. Essa energia térmica em trânsito denomina-se calor.

Princípios da Calorimetria

1º princípio da transformação inversa

Se você colocar uma chaleira com água no fogo e aquecê-la até ferver, po- derá dizer que a água e a chaleira receberam certa quantidade de calor do fogo. Desligando o fogo no instante em que começa a ebulição da água e deixando a chaleira e a água esfriar, dizemos que o sistema está perdendo calor.

2º princípio da Troca de calor

Colocando vários corpos com temperaturas diferentes dentro de um recinto adiabático, eles constituirão um sistema isolado, isto é, um sistema que não troca calor com o meio externo. Como suas temperaturas são diferentes, haverá trocas de calor entre si, até atingirem o equilíbrio térmico. Assim:

Q_recebido + Q_cedido = 0

Calor Sensível

É a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo, ao sofrer uma variação de temperatura sem que haja mudança de fase.

Calor Latente

É aquele em que o corpo sofre apenas uma mudança de fase sem haver variação de temperatura.

Equação Fundamental da Calorimetria

Q = mc( – ₀) ou Q = mc∆

Onde:

– m = massa do corpo

– c = calor especíﬁ co da substância ou material

Calor Específi co

É a quantidade de calor necessária para que um grama dessa substância sofra variação de temperatura de 1ºC.

cal/g ºC

Capacidade térmica de um corpo

A capacidade térmica C de um corpo representa a quantidade de calor ne- cessária para que a temperatura do corpo varie de 1ºC para outro valor. C = mc ou C =

A unidade no SI é cal/º C Onde:

– m = massa do corpo

– c = calor especíﬁ co do corpo Mudança de fase

Na natureza, as substâncias podem ser encontradas em três diferentes fases, as quais são denominadas de fase sólida, fase líquida e fase gasosa. Os fatores que determinam o estado em que as substâncias se encontram são a temperatura e a pressão.

Calor Latente

O comportamento das substâncias durante as mudanças de fase pode ser interpretado através das seguintes fatos:

1º fato

Para passar da fase líquida para a fase sólida, um grama de água precisa perder 80 cal. Do mesmo modo, para derreter, um grama de gelo precisa ganhar 80 cal.

Note que 80 cal representa a quantidade de calor que um grama de água ganha ou perde quando se derrete ou se congela, estando a 0ºC.

2º fato

Se a água está a 100ºC, cada grama precisa de 540 calorias para passar à fase gasosa, e cada grama de vapor precisa perder 540 cal para passar para fase líquida.

Quantidade de calor latente:

Q = mL

Onde:

– L = Calor latente (cal/g)

– L_F = Calor latente de fusão

– L_V= Calor latente de vaporização

– L_S = Calor latente de solidiﬁ cação

– L_C = Calor latente de condensação

Transmissão de Calor

O calor é uma forma de energia que ﬂ ui de um corpo para outro quando existe uma diferença de temperaturas entre eles. A transmissão do calor pode ocorrer através de três processos:

– Condução;

Fluxo de calor

Onde:

k é uma constante de proporcionalidade que caracteriza o material pelo qual

se constitui a parede, sendo chamada de “coefi ciente de condutibilidade térmica”.

Referências

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TIPLER, P. A. Física 2. Rio de Janeiro: Livro Técnico Científi co, 2000.

FUKE, CARLOS, KAZUHITO - Os Alicerces da Física, vol.2; São Paulo: Editora Saraiva, 2000. HEWITT P.G. - Física Conceitual. 9ª edição. Porto Alegre: Bookman Editora, 2002. UGO AMALDI - Imagem da Física. SP: Editora Scipione, 1997.

MÁXIMO A. e ALVARENGA B. - Curso de Física, vol. 2. São Paulo: Editora Scipione, 2003. SAMPAIO, J. L. e CALÇADA, C. S. - Universo da Física, vol. 2. 2ª Edição. São Paulo: Atual Editora, 2006.

BONJORNO J. R. & CLINTON M. R. - Física História e Cotidiano, Volume único, 2ª edição, São Paulo: Editora FTD, 2005.

ROCHA, J. F. M et all - Origem e evolução das ideias da Física, Salvador: Editora EDUFBA, 2002.

GASPAR, A. - Física, Volume Único. São Paulo: Editora Ática, 2003.

RAMALHO F. J.; NICOLAU F. F.; TOLEDO P. A. S., Os Fundamentos da Física, Vol. 2. 7ª edição. Editora Moderna.

Sites para consultas

http://www.colegioweb.com.br/fi sica/calorimetria-estudo-das-trocas-de-calor http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/index8.asp

http://www.feiradeciencias.com.br/sala20/index20.asp http://www.mundoeducacao.com.br/fi sica/calor-sensivel.htm

http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/Trocadores_de_calor_2.pd http://www.geocities.yahoo.com.br/saladefi sica http://www.feiradeciencias.com.br http://www.fi sica.com.br http://www.fi sica.ufc.br http://www.fi s.unb.br http://www.ifqsc.sc.usp.br http://www.if.ufrj.br http://www.ift.unesp.br http://www.ifi .unicamp.br http://www.if.usp.br

Objetivos

• Identiﬁ car as transformações da energia;

• Aplicar as equações do trabalho sob pressão constante em pro- blemas propostos;

• Aplicar o primeiro princípio das transformações gasosas; • Enunciar a Primeira Lei da Termodinâmica;

• Enunciar a Segunda Lei da Termodinâmica; • Enunciar o Ciclo de Carnot.

Assunto

– Termodinâmica

Introdução

A termodinâmica é o ramo da Física que estuda as relações entre o calor trocado, representado pela letra Q e o trabalho realizado, representado pela letra , num determinado processo físico que envolve a presença de um corpo e/ou sistema, e o meio exterior. É através das variações de temperatura, pressão e volume, que a Física busca compreender o comportamento e as transformações que ocorrem na natureza.

Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de

temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos.

Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

No documento Sistemas de Energia Renovável (páginas 101-116)