Aula_TC_CEFET

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].
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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.
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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).
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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).
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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
kA
=
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