mftc1

Texto

(1)Parte 2.

(2) Transferência de Calor É energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor..

(3) Um corpo nunca contém calor, mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de calor..

(4) Existem três mecanismos, que podem ser reconhecidos assim :  transferência de calor por condução.  transferência de calor por convecção.  radiação. Dependem somente de um ΔT depende de um ΔT e transporte de massa.

(5) Transferência de calor por condução Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de calor por condução..

(6) Transferência de calor por condução  A condução pode se definida como o processo pelo. qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto.  Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas..

(7) Transferência de calor por condução O mecanismo da condução pode ser mais facilmente entendido considerando, como exemplo, um gás submetido a uma diferença de temperatura. A figura mostra um gás entre duas placas a diferentes temperaturas :.

(8) Transferência de calor por condução  1. O gás ocupa o espaço entre 2 superfícies (1) e (2) mantidas a diferentes. temperaturas de modo que T1 > T2 (o gás não tem movimento macroscópico);  2. Como altas temperaturas estão associadas com energias moleculares mais elevadas, as moléculas próximas à superfície são mais energéticas (movimentam-se mais rápido);  3. O plano hipotético X é constantemente atravessado por moléculas de cima e de baixo. Entretanto, as moléculas de cima estão associadas com mais energia que as de baixo.. Portanto existe uma transferência líquida de energia de (1) para (2) por condução.

(9) CONDUÇÃO Para os líquidos o processo é basicamente o mesmo, embora as moléculas estejam menos espaçadas e as interações sejam mais fortes e mais freqüentes. Para os sólidos existem basicamente dois processos ( ambos bastante complexos ) : • sólido mau condutor de calor : ondas de vibração da estrutura cristalina • sólido bom condutor de calor: movimento dos eletrons livres e vibração da estrutura cristalina..

(10) CONDUÇÃO  A TAXA DE CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE. UM MEIO DEPENDE... DA GEOMETRIA DO MEIO, DA ESPESSURA DO TIPO DE MATERIAL DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA A QUE O MEIO ESTÁ SUBMETIDO..

(11) CONDUÇÃO “A TAXA DE CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE UMA CAMADA PLANA É PROPORCIONAL À DIFERENÇA DE TEMPERATURA ATRAVÉS DA CAMADA E A ÁREA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR, MAS INVERSAMENTE PROPORCIONAL À ESPESSURA DA CAMADA”. TAXA DE TRANSFERÊN CIA DE CALOR . ( AREA)(DEFERENÇA DE TEMPERA TURA) ESPESSURA. T1  T2 T QCOND  KA   KA x x.

(12) CONDUÇÃO  LEI DE FOURIER DA CONDUÇÃO TÉRMICA.. (1822). QCOND. dT   KA dx. ONDE dT/dx é o gradiente de temperatura..

(13) CONDUÇÃO- Exemplo O telhado de uma casa com aquecimento elétrico possui 6 metros de comprimento, 8 metros de largura e 0,25 metros de espessura e é feito de uma camada plana de concreto cuja condutibilidade térmica é K=0,8W/m.oC. As temperaturas das faces inferior e exterior do telhado, medidas em uma noite, são 15 0C e 4oC, respectivamente, durante um período de 10 horas . Determine: a) A taxa de perda de calor no telhado naquela noite. b) O custo desta perda de calor para o proprietário, se o custo da eletricidade é de R$0,08/KWh.

(14) Solução a) T1  T2 Q   kA L (15  4) Q  0,8.48.  1690W  1,69KW 0,25 .. b)Q  Q.t  (1,69)10horas  16,90kwh Custo  quantidade de energia x Custo unitário da energia Custo  16,9kwh x R$0,08 / Kwh  1,35.

(15) CONDUÇÃO- Condutividade térmica (K)  É a capacidade de um dado. material em conduzir calor  A taxa de transferência de calor através de uma unidade de comprimento de dado material por unidade de área por unidade de diferença de temperatura..

(16) CONDUÇÃO- Condutividade térmica (K) A teoria cinética dos GASES prediz, e os experimentos confirmam, que a condutividade térmica dos gases é proporcional à raiz quadrada da temperatura termodinâmica T e inversamente proporcional à raiz quadrada da massa molar M. ( a condutividade térmica do hélio(M=4) é maior do que a do ar(M=40)).

(17) CONDUÇÃO- Condutividade térmica (K)  O mecanismo de condução de calor em um líquido é complicado pelo fato da maior proximidade das moléculas.  A condutividade térmica de uma substância é normalmente maior na fase sólida e menor na fase gasosa.  Diferente dos gases, a condutividade térmica dos líquido decresce como o aumento da temperatura (exceção da água)e, como os gases decresce com o. aumento da massa molar(M).

(18) CONDUÇÃO- Condutividade térmica (K)  Nos sólidos, a condução de calor é devida a dois efeitos: as ondas de vibrações de rede motivadas pelos movimentos vibracionais das moléculas. arranjadas em posições relativamente fixas, de forma periódica, constituindo uma rede, e a energia transportada através do movimento livre dos elétrons.  A condutividade térmica de sólidos é determinada pela soma da componente de rede e da componente eletrônica.  depende de como as moléculas são arranjadas.

(19) CONDUÇÃO- Condutividade térmica (K).

(20) CONDUÇÃO- Difusividade térmica.

(21) CONDUÇÃO- Difusividade térmica  A difusividade térmica de um material pode ser. entendida como a razão entre o calor conduzido através do material e o calor armazenado por unidade de volume.  Um pequeno valor de difusividade térmica significa que a maior parte do calor é absorvida pelo material e uma pequena quantidade de calor é conduzida adiante..

(22) CONDUÇÃO- Difusividade térmica  a DIFUSIVIDADE TÉRMICA, representa a velocidade com que o calor se difunde através de um material, é definida como:. Calor conduzido k 2   (m / s) Calor armazenado c p O produto ρcp, representa a capacidade de armazenamento de calor por unidade de volume (J/m3). A condutividade térmica K, representa quanto um material conduz bem o calor,e a capacidade térmica (ρcp), quanta energia uma material pode armazenar por unidade de volume..

(23) CONDUÇÃO- Difusividade térmica - Exemplo Uma maneira comum de medir a condutividade térmica de um material é fazer um sanduíche de um aquecedor elétrico entre as duas amostras idênticas do material. A espessura da resistência do aquecedor, incluindo a sua cobertura, que é feita de uma fina borracha de silicone, normalmente é inferior a 0,5mm. Um fluido circulante, tal como água da torneira, mantém as extremidades expostas das amostras a uma temperatura constante. As superfícies laterais das amostras são bem isoladas para garantir que a transferência de calor através delas seja unidimensional. Dois termopares são embutidos em cada amostras a uma distancia L entre elas, e um termômetro diferencial mede a queda de temperaturaΔT ao longo de cada uma. Quando condições operacionais estáveis são alcançadas, a taxa total de transferência de calor através de ambas as amostras torna-se igual à energia elétrica consumida pelo aquecedor. Em certa experiência,são usadas amostras cilíndricas de 5cm de diâmetro e 10cm de comprimento. Dois termopares são colocados em cada uma com 3 cm de intervalo. Após o período transitório inicial, observa-se que o aquecedor elétrico consome 0,4 A em 110V, e ambos os termômetro diferenciais medem uma diferença de temperatura de 15oC. Determinar a condutividade térmica da amostra..

(24) Transferência de calor por convecção  Quando a transferência de energia ocorrer entre uma. superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles,  A figura ilustra a transferência de calor de calor por convecção quando um fluido escoa sobre uma placa aquecida..

(25) CONVECÇÃO  A taxa de transferência de calor por convecção é proporcional à diferença de temperatura, e é convenientemente expressa pela lei de Newton do resfriamento. Qconv  hAs (Ts  T) h : coeficiente de transferencia de calor por convecção (W/m2 .0 C); A s : área da superfície através da qual a transferencia ocorre; Ts : temperatura da superfície T : temperatura do fluido suficientemente longe da superfície..

(26) CONVECÇÃO - Exemplo Um fio elétrico de 2 metros de comprimento e 0,3 cm de diâmetro se estende por uma sala a 15oC. Calor é gerado no fio como resultado do aquecimento da resistência. A medida da temperatura na superfície do fio é de 152 oC, em funcionamento estável. Além disso, as medidas de queda de tensão e da corrente elétrica através do fio são 60V e 1,5A, respectivamente. Ignorando qualquer transferência de calor por radiação, determinar o coeficiente de transferência de calor por convecção para a transferência de calor entre a superfície externa do fio e o ar na sala. Lembre-se, que:. Quando condições operacionais estáveis são alcançadas, a taxa total de transferência de calor através de ambas as amostras tornase igual à energia elétrica consumida pelo aquecedor..

(27) CONVECÇÃO - Forçada. 1 . A velocidade da camada de ar próxima à superfície é muito baixa em razão das forças viscosas ( atrito ). 2. Nesta região o calor é transferido por condução. Ocorre portanto um armazenamento de energia pelas partículas presentes nesta região. 3. Na medida que estas partículas passam para a região de alta velocidade, elas são carreadas pelo fluxo transferindo calor para as partículas mais frias..

(28) CONVECÇÃO - Forçada. A convecção foi forçada, pois o movimento de mistura foi induzido por um agente externo, no caso um ventilador..

(29) CONVECÇÃO - Natural Se retir o ventilador, do exemplo, as partículas que estão próximas à superfície continuam recebendo calor por condução e armazenando a energia. Estas partículas tem sua temperatura elevada e, portanto a densidade reduzida. Já que são mais leves elas sobem trocando calor com as partículas mais frias (e mais pesadas) que descem..

(30) CONVECÇÃO - Natural  exemplo bastante conhecido de convecção natural é o. aquecimento de água em uma panela doméstica como mostrado na figura. Para este caso, o movimento das moléculas de água pode ser observado visualmente ..

(31) Radiação Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas, usamos o termo radiação. A figura ilustra a transferência de calor por radiação entre duas superfícies a diferentes temperaturas..

(32) RADIAÇÃO • A radiação emitida por todas as superfícies reais é expressa como: Qemiss ,máx  AsTs. 4. (W). onde.   5,670.10-8W / m 2 .k 4  constante de Stefan - Boltzmann.   emissividade da superficie (0    1).

(33) RADIAÇÃO  A lei de Kirchhoff diz que a emissividade e a absortância. de uma superfície (α), a uma determinada temperatura e comprimento de onda, são iguais. Isso implica que a taxa com que uma superfície absorve radiação é determinada a partir de :. Qabs  Qinc Qinc.  taxa em que a radiação incidente sobre a superficie..   é a absortância da superfície..

(34) RADIAÇÃO  A diferença entre as taxas de radiação. emitida pela superfície e de radiação absorvida é a transferência de calor liquida por radiação.  Se a taxa de absorção de radiação é maior. do que a taxa de emissão de radiação, a superfície esta ganhando energia por radiação.  Caso contrario a superfície esta perdendo. energia por radiação..

(35)  Todos corpos em temperatura acima do zero absoluto. emitem continuamente radiação térmica  As intensidades das emissões dependem somente da temperatura e da natureza da superfície emitente  A radiação térmica viaja na velocidade da luz (300.000 Km/s).

(36) RADIAÇÃO  Quando uma superfície de. emissividade ε e área superficial A, a uma temperatura termodinâmica Ts é completamente delimitada por uma superfície muito maior a uma temperatura termodinâmica Tarr separados por um gás (como o ar) que não intervém na radiação, a taxa líquida de transferência de calor por radiação entre essas duas superfícies é dada por:. Qrad  As (T  T ) 4 s. 4 arr. (W).

(37) RADIAÇÃO - Exemplo  Sentir frio no inverno e calor no verão é uma experiência. comum, em nossas casas. Isso é devido ao chamado efeito radiação restante das trocas de calor por radiação entre os corpos e as superfícies das paredes e do teto.  Considere uma pessoa de pé em uma sala mantida a 220C durante todo o tempo. As superfícies interiores das paredes, pavimentos e tetos estão numa temperatura média de 100C no inverno e 250C no verão. Determinar a taxa de transferência de calor por radiação entre essa pessoa e as superfícies ao seu redor, se a área e a temperatura média das superfícies expostas da pessoa são de 1,4m2 e 300C, respectivamente..

(38) MECANISMO SIMULTÂNEO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Na maioria das situações práticas ocorrem ao mesmo tempo dois ou mais mecanismos de transferência de calor atuando ao mesmo tempo..

(39) MECANISMO SIMULTÂNEO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Nos problemas da engenharia, quando um dos mecanismos domina quantitativamente, soluções aproximadas podem ser obtidas desprezando-se todos, exceto o mecanismo dominante..

(40) MECANISMO SIMULTÂNEO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Num sólido opaco à radiação térmica a transferência de calor ocorre apenas por condução. No vácuo apenas ocorre radiação. Nos sólidos, líquidos e gases não opacos, a transferência de calor ainda pode ocorrer por radiação, em paralelo à condução ou convecção. Diz-se que estamos perante mecanismos combinados..

(41) Segue-se um exemplo de aplicação (Çengel, 2003).  Determine o calor perdido por uma pessoa, por unidade de tempo, supondo que a sua superfície exterior se encontra a 29ºC, sendo a emissividade de 0,95. A pessoa encontra-se numa sala cuja temperatura ambiente é 20ºC (T∞) sendo a área do seu corpo de 1,6 m2. O coeficiente de transferência de calor entre a superfície exterior da pessoa e o ar pode considerar-se igual a 6 W.m-2.K-1..

(42)  Simplificações: desprezar a transferência de calor por. condução através dos sapatos para o chão e o calor perdido por respiração e transpiração; supor que a temperatura das superfícies envolventes (paredes) é idêntica à temperatura ambiente (Tviz ≈ T∞0)..

(43) MECANISMO SIMULTÂNEO DE TRANSFERENCIA DE CALOR - EXEMPLO  Considere uma pessoa de pé em uma sala a 230C.. Determinar a taxa total de transferência de calor dessa pessoa, se a superfície exposta e a temperatura média da superfície da pessoa são 1,7m2 e 320C, respectivamente. O coeficiente de transferência de calor por convecção é de 5W/m2.K. considere a emissividade da pele e das roupas igual a 0,9, assuma a temperatura da superfície da pessoa a mesma que a taperatura do ar. (r:161w).

(44) Resistências térmicas em série  a) Geometria Plana. R. (T1  T2 ) .. Q.

(45)  Considere-se dois fluidos a diferentes temperaturas (T∞1. e T∞2) separados por uma parede plana composta como ilustra a Fig. A transferência de calor é efetuada no sentido das temperaturas inferiores pelo mecanismo da condução nas paredes e por convecção nos fluidos. Considerando estado estacionário (T∞1 e T∞2 constantes no tempo) e a resistência de contacto entre superfícies desprezível, o fluxo de calor através de cada camada é o mesmo:.

(46) Exemplo Um sistema onde ocorrem ao mesmo tempo vários mecanismo de transferência de calor consideremos uma garrafa térmica..

(47)     . q1 : convecção natural entre o café e a parede do frasco plástico q2 : condução através da parede do frasco plástico q3 : convecção natural do frasco para o ar q4 : convecção natural do ar para a capa plástica q5 : radiação entre as superfícies externa do frasco e interna da capa plástica  q6 : condução através da capa plástica  q7 : convecção natural da capa plástica para o ar ambiente  q8 : radiação entre a superfície externa da capa e as vizinhanças.

(48) Melhorias estão associadas com (1) uso de superfícies aluminizadas ( baixa emissividade ) para o frasco e a capa de modo a reduzir a radiação e (2) evacuação do espaço com ar para reduzir a convecção natural..

(49)