PF32P TRANSFERÊNCIA DE CALOR

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PF32P

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Prof. Dr. Thiago Antonini Alves

antonini@professores.utfpr.edu.br

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Aula #2 – Introdução (2/2)

PF32P – Transferência de Calor 3/44

Sumário



A Exigência da Conservação de Energia

 Conservação de Energia (1ª Lei da Termodinâmica) em um

Volume de Controle

 O Balanço de Energia em uma Superfície



Análise de Problemas de Transferência de Calor



Unidades e Dimensões

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A Exigência da

Conservação de

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 Energia

A energia pode ser entendida como a capacidade de causar alterações.

O termo energia foi criado em 1807 por Thomas Young, e seu uso na Termodinâmica foi proposto por Lord Kelvin em 1852.

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 Energia Total (Etot)

É a soma de todas as formas de energia que constituem a matéria.

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 Energia Cinética (EC)

É a energia que um sistema possui como resultado de seu movimento relativo a algum referencial.

ou, por unidade de massa,

V é a velocidade do sistema em relação a um referencial fixo.

2 2 1 mV EC  2 2 1 V ec 

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 Energia Potencial (EP)

É a energia que um sistema possui como resultado de sua altura em um campo gravitacional.

ou, por unidade de massa,

g é a aceleração da gravidade

mgz

EP



gz

ep



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 Energia Mecânica (EM)

É a soma das energias cinética e potencial de um sistema.

EP

EC

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 Energia Sensível (U_sen)

(11)

 Energia Latente (U_lat )

(12)

 Energia Térmica (U_t)

É a soma das formas sensível e latente da energia interna.

lat sen

t U U

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 Energia Química

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 Energia Nuclear

(A incrível) Energia associada às fortes ligações existentes no interior do núcleo do átomo.

(15)

 Energia Interna (U)

É a soma de todas as formas microscópicas de energia em um sistema.

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 Energia Total (Etot)

Na falta dos efeitos magnéticos, elétricos e de tensão superficial, a energia total de um sistema consiste nas energias cinética,

potencial e interna e é expressa como

mgz

mV

U

EP

EC

U

E

tot









2



2

1

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Conservação de Energia em um VC

A energia total de um sistema é conservada, e, a única forma na qual a quantidade de energia em um sistema pode mudar é se a energia cruzar sua fronteira.

A Primeira Lei da Termodinâmica também indica as formas nas quais a energia pode cruzar a fronteira de um sistema.

Para aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica, precisa-se

identificar o volume de controle, uma região do espaço

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Primeira Lei da Termodinâmica durante um Intervalo de Tempo (Δt)

O aumento na quantidade de energia acumulada (armazenada) em um volume de controle deve ser igual à quantidade de

energia que entra no volume de controle menos a quantidade de energia que deixa o volume de controle.

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Ao aplicar este princípio, reconhecemos que a energia pode entrar e sair do volume de controle devido à transferência

de calor através da fronteira, ao trabalho realizado sobre

ou pelo volume de controle e à advecção de energia.

Na transferência de calor, nossa atenção estará focada nas formas de energias mecânica e térmica.

(21)

Uma vez identificado o volume de controle, uma base de

tempo de ser adequadamente especificada.

 intervalo de tempo Δt (na base de quantidades)

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Conservação da Energia ao Longo de um Intervalo de Tempo Δt

A quantidade de energia térmica e mecânica que entram em um volume de controle, mais a quantidade de energia

térmica gerada no interior do volume de controle, menos a quantidade de energia térmica e mecânica que deixa o

volume de controle deve ser igual ao aumento da

quantidade de energia armazenada no interior do volume de controle.

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Conservação da Energia para um Determinado Instante de Tempo t

A taxa na qual as energias térmica e mecânica entram em um volume de controle, mais a taxa na qual a energia térmica é gerada no interior do volume de controle, menos a taxa na qual as energias térmica e mecânica deixam o volume de controle deve ser igual à taxa do aumento da energia

armazenada no interior do volume de controle.

g sai ent acu acu

E

dt

dE

E















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 Energias Térmica e Mecânica Acumuladas (E_acu)

Em muitos problemas de transferência de calor, o único termo

da energia relevante será a energia sensível, ou seja, E_acu =

E_sen .

t

acu

EC

EP

U

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 Geração de Energia Térmica (E_g)

O termo geração de energia está associado à conversão de alguma outra forma de energia (química, elétrica,

eletromagnética ou nuclear) em energia térmica. Esse fenômeno é volumétrico.

(26)

 Transporte de Energias Térmica e Mecânica através das

Superfícies de Controle (E_ent e E_sai)

Os termos referentes à entrada e à saída de energia são

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 Exemplo

Equação da Energia para um volume de controle, com escoamento em regime permanente e sem geração de energia térmica. 0 2 1 2 1 ₂ ₂ _ _ _       _ _ _        _ _ _ W q gz V pv u m gz V pv u m sai t ent t   

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O Balanço de Energia em uma Superfície

Frequentemente vamos encontrar situações de aplicação de Conservação de Energia em uma superfície de um meio.

Nesse caso especial, as superfícies de controle estão

localizadas em ambos os lados da fronteira física e não envolvem massa ou volume.

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Aula #2 – Introdução (2/2) PF32P – Transferência de Calor 29/44

0 



_s e

E



Balanço de Energia ou seja,

0

cond conv rad

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Análise de Problemas

de Transferência de

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 Procedimento Sistemático

1) Dados fornecidos

2) Dados a serem determinados

3) Diagrama Esquemático

4) Considerações e Hipóteses Simplificadoras

5) Propriedades

6) Análise

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(33)

 Dimensões

Toda grandeza física pode ser caracterizada pelas dimensões.

 Dimensões primárias ou fundamentais

 massa, m

 comprimento, L

 tempo, t

 temperatura, T

 Dimensões secundárias ou derivadas

 velocidade

 aceleração, a

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 Unidades

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 Sistema Internacional de Unidades (SI)

 Criação: pela 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas

(CGPM) em 1960 – uma evolução do sistema métrico decimal.

 Características: o SI evolui de maneira a acompanhar as

crescentes exigências mundiais demandadas pelas medições, em todos os níveis de precisão, em todos os campos da ciência, da tecnologia e das atividades humanas.

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Grandeza Unidade Símbolo

comprimento metro m

massa quilograma kg

tempo segundo s

corrente elétrica ampère A temperatura termodinâmica kelvin K

quantidade de substância mol mol

As sete unidades fundamentais do SI.

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área metro quadrado m2

volume metro cúbico m3

velocidade metro por segundo m/s aceleração metro por segundo quadrado m/s2 número de ondas inverso do metro 1/m

massa específica quilograma por metro cúbico kg/m3

densidade superficial quilograma por metro

quadrado kg/m

2

volume específico metro cúbico por quilograma m3_/kg

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campo magnético ampère por metro A/m concentração mol por metro cúbico mol/m3

concentração de massa quilograma por metro cúbico kg/m3 luminância candela por metro quadrado cd/m2

índice de refração unidade 1

permeabilidade relativa unidade 1

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 Múltiplos e submúltiplos do SI

Um conjunto de prefixos foi adotado para uso com as

unidades do SI, a fim de exprimir os valores de grandezas que são muito maiores ou muito menores do que a unidade SI usada sem um prefixo.

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Fator Nome Símbolo 101 _deca _da 102 hecto h 103 _quilo _k 106 _mega _M 109 giga G 1012 _tera _T 1015 peta P 1018 _exa _E

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Fator Nome Símbolo

10–1 deci d 10–2 centi c 10–3 mili m 10–6 micro μ 10–9 nano n 10–12 pico p 10–15 fento f 10–18 atto a 10–21 zepto z 10–24 yocto y

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Referências Básicas

 BERGMAN, T.L. & LAVINE, A.S., 2019. Fundamentos de

Transferência de Calor e de Massa. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 8ª ed., 648p.

BiblioTec:

https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/9788521636656

 ÇENGEL, Y.A. & GHAJAR, A.J., 2012. Transferência de Calor

e Massa: Uma Abordagem Prática. Porto Alegre, RS:

McGraw-Hill, 4ª ed., 904p.

BiblioTec:

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1ª Lista de Exercícios

Capítulo 1 (Bergman & Lavine, 2019):