Aula_TC_CEFET
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Aula 1 - Fundamentos de Ciências Térmicas CEFET_BA PROFº DIÓGENES GANGHIS 1 Definições iniciais Energia (uma definição): “Capacidade de realizar trabalho”. Formas de energia: - Cinética (movim. macroscópico, térmica etc) - Potencial (elétrica, gravitacional, elástica etc) Matéria: “Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço.” Principais estados da matéria: Sólido, Líquido e gasoso. (http://www.materiaprima.pro.br/estados/Estados.htm) 2 Principais Estados da Matéria Sólido • Forma rígida; Líquido Gás • Forma indefinida; • Forma indefinida; • Arranjo compacto, • Arranjo desordenado; ordenado; • Volume definido; • Volume definido; • Partículas movem-se • Movimento umas entre as outras. molecular restrito. Aquece Re sfria • Arranjo totalmente desordenado; • Volume indefinido; • Partículas livres para se moverem. Aquece Re sfria 3 Temperatura: Noção intuitiva Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico. T1 > T2 T1 T2 T1 > Teq > T2 T T contato 4 Calor e sua propagação Calor (uma definição): “Calor é a energia térmica em trânsito, devido a uma diferença de temperatura entre os corpos”. Há transferência líquida de calor, espontaneamente, do corpo mais quente para o corpo mais frio. 5 Unidades de medida de calor caloria – cal Joule – J British thermal unit – Btu O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb de água de 63°F para 64°F. Joule - unidade adotada pelo SI para energia. A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para se elevar de 14,5°C para 15,5°C uma quantidade de 1g de água. 6 Convenção para a Troca de calor calor recebido Q>0 Q<0 calor retirado 7 Troca de Calor Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio. Em um sistema isolado, a quantidade total de calor trocado entre os corpos é nula, ou seja, o calor total recebido pelos corpos mais frios é igual ao calor total retirado dos corpos mais quentes. Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = 0 8 • Termodinâmica: Estuda as interações (trocas de energia) entre um sistema e suas vizinhanças. • Transferência de calor: Indica como ocorre e qual a velocidade com que o calor é transportado. 9 O que ocorre com a temperatura de um corpo quando se transfere calor a ele?? A temperatura pode aumentar ou não. 10 Calor sensível Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico. Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura. Q = C DT = m c DT Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU etc]; C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC]; m = massa do corpo [g, kg]; c = calor específico da substância [J/(kg ºC)]; DT = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC]. 11 Calor específico e capacidade calorífica H2O Barra de ferro Calores específicos (a 25ºC e 1 atm) [J/(kg ºC]: H2O = 4200; Gelo (0ºC) =2040 Etanol = 2400; Alumínio = 900; Cobre = 390; Latão = 380; Ferro = 450; Vidro = 840. 12 Valores de c (25ºC e 1 atm) Calor Específico Substância cal/(g.K) Sólidos Elementares Chumbo 0,0305 Tungstênio 0,0321 Prata 0,0564 Cobre 0,0923 Alumínio 0,215 Calor Específico Molar J/(kg.K) 128 134 236 386 900 Outros Sólidos Latão Granito Vidro Gelo (-10°C) 0,092 0,19 0,20 0,530 380 790 840 2.220 Líquidos Mercúrio Álcool etílico Água do mar Água doce 0,033 0,58 0,93 1,00 140 2.430 3.900 4.190 J/(mol.K) 26,5 24,8 25,5 24,5 24,4 Fonte: Halliday 13 Calor específico para gases • Calor sensível a pressão constante: ∆H = Qp = m cp (Tfinal – Tinicial) - cp é o calor específico do material a pressão constante; - ∆H variação de entalpia do corpo (J, kcal etc.). • Calor sensível a volume constante: ∆U = Qv = m cv (Tfinal – Tinicial) - cv é o calor específico do material a volume constante; - ∆U variação de energia interna do corpo (J, kcal etc.). 14 Calor Latente Quando o calor trocado é utilizado pela substância para mudar de estado físico, sem variação de temperatura e sob pressão constante, ele é chamado de calor latente. Ex.: fornecimento de calor à água fervente. VAPORIZAÇÃO 15 Mudança de fase O calor latente de mudança de estado pode ser: endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas pois a matéria precisa absorver calor. exotérmico (Q < 0): As transformações de liquefação, solidificação e sublimação inversa são exotérmicas, pois a matéria precisa liberar calor. 16 Cálculo da troca de calor latente Q=mL - Q (J) quantidade de calor trocado; - L (J/kg) calor latente da transformação física; - m (kg) a massa que mudou de estado físico. Como a pressão é constante: Q = ∆H → L = h - ∆H variação de entalpia da transformação física (J); - h entalpia específica da transformação física (J/kg). 17 Qual a velocidade de uma Troca de Calor? Velocidade Fluxo de calor A T1 > T2 Q q= Quantidadede calor que atravessauma área A Q = Intervalo de tempo Dt No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt. 18 Temperatura (uma definição): “Grandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos”. 19 Processos de Transferência de Calor • Condução • Convecção • Radiação térmica Condução Convecção Radiação térmica 20 Condução Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto. Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar. Fonte: www.terra.com.br/fisicanet Característico de meios estacionários. 21 Condução de Calor 22 Condução Calor Condução de calor ao longo de uma barra. T1 > T2 Condução de calor ao longo de gás confinado. A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio. 23 Fluxo de Calor na Condução • “Lei de Fourier”: qcond A (T1 T2 ) =k L k é a condutividade térmica [W/(m ºC)] k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC) k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 W/(m ºC) k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2 W/(m ºC) 24 Condutividade Térmica de diversas substâncias 25 Condução - Aplicações e conseqüências • Conforto térmico corporal; • Seleção de materiais para empregos específicos na indústria (condutores e isolantes). Por que os iglus são feitos de gelo? k (gelo a 0ºC) = 1,88 W/(m ºC) cp (gelo a 0ºC) = 2040 J/(kg ºC) 26 Convecção Transmissão através da agitação molecular e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio; Movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas; É o transporte de calor típico dos meios fluidos. Fonte: www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br 27 Convecção natural e forçada Na convecção natural, ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de diferenças de densidade causadas por variação de temperatura do fluido. Transporte natural de fluidos Convecção natural 28 Convecção natural e forçada Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos. Transporte forçado de fluidos Convecção forçada 29 Fluxo de Calor na Convecção • “Lei de Newton do Resfriamento”: qconv = h A (Ts T ) Área A - h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)] 30 Coeficiente de transferência de calor por convecção - h h [W/(m2 K)] Processo Convecção natural Gases Líquidos 2 – 25 50 – 1.000 Convecção forçada Gases Líquidos 25 – 250 50 – 20.000 Convecção com mudança de fase Ebulição ou condensação 2.500 – 100.000 Fonte: Incropera 31 Convecção - Aplicações e conseqüências • Conforto ambiental; • Refrigeração de circuitos elétricos. 32 Irradiação ou radiação térmica - Toda a matéria que se encontra a uma temperatura acima do Zero Absoluto (0 K) irradia energia térmica. - Não necessita de meio material para ocorrer, pois a energia é transportada por meio de ondas eletromagnéticas. - É mais eficiente quando ocorre no vácuo. 33 Radiação Térmica ou Irradiação 34 Ondas eletromagnéticas 35 Transmissão de calor por Radiação Q a + Qr + Q t = Qi a= Qa (absorvidade) Qi r= Qr (refletividade) Qi a +r + t =1 t= Qt (transmissividade) Qi 36 Modelos adotados na radiação térmica Reflexão • O refletor perfeito (espelho ideal), r = 1. Absorção • Um corpo negro (absorvedor perfeito), a = 1. • Um corpo cinzento, a < 1. Transmissão • Um corpo transparente, t ≠ 0 (zero). • Um corpo opaco, t = 0 (zero). a+r + t =1 37 Transmissão de calor por Radiação Lei dos Intercâmbios: Todo bom absorvedor é um bom emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um mau emissor de radiação térmica. Corpo negro é também o emissor ideal de radiação térmica (radiador ideal)!!!! Corpos Escuros: bons absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: fuligem (a = = 0,94). Corpos claros e polidos: maus absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: prata polida (a = = 0,02). 38 Fluxo de calor na Radiação “Lei de Stefan-Boltzmann”: qrad 4 E (corpo negro) = = T (corpo negro) A máxima qrad 4 E= = T (corpos reais) A E – Poder emissivo [W/m2]; – emissividade (0 ≤ ≤ 1); σ – Constante de Stefan-Boltzmann [5,7 x 10-8 W/(m2 K4)]; T – Temperatura absoluta do corpo (K). 39 Fluxo de calor transferido por radiação Para a troca de calor por radiação entre duas superfícies, uma dentro da outra, separadas por um gás que não interfere na transferência por radiação: qrad 4 4 = T T Superfície vizinhança A Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente; Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior, suposta mais fria. 40 Radiação Térmica - Aplicações • Fonte alternativa de energia; • Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infra-vermelho provenientes da terra. 41 Processos de Transferência de Calor Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações. Trocador de Calor 42 Resistência térmica Condução Convecção DT DT q = k A = L L kA = q DT R DT q = h A DT = 1 h A onde, DT é o potencial térmico e R é a resistência térmica do sistema 43 Mecanismos Combinados de transferência de calor q h1. A q.L (T2 T3 ) = k. A q (T3 T4 ) = h2 . A 1 L 1 T1 T2 + T2 T3 + T3 T4 = q. + + h . A k . A h . A 1 2 (T1 T2 ) = T T T T DT total 1 4 1 4 q = = q = 1 L 1 R +R +R Rt + + 1 2 3 h . A k. A h .A 1 2 44 Mecanismos Combinados de transferência de calor DT total = T1 T5 q = = Rt Ri + Rref + Riso + R e T1 T5 1 L L 1 + 1 + 2 + hi .A k1.A k 2 .A he .A 45
