Propriedades Físicas da Matéria

Transferência de Calor e Massa I
Prof. Dr. Vicente Luiz Scalon
Propriedades Físicas da Matéria
●
Condutividade Térmica – k
●
Massa Específica – ρ
●
Calor Específico a Pressão Constante – cp
●
Difusividade Térmica – α
●
Viscosidade Cinemática (ν) ou Dinâmica (μ)
●
Coeficiente de Expansão Volumétrica (β)
Características da
Condutividade Térmica
●
pode ser calculada experimentalmente
fazendo uso da Lei de Fourier:
,,
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q
k=−
dT / dx
●
pode ser:
–
–
isotrópico (igual em todas as direções)
anisotrópico k x ≠k y ≠k z 
Condutividade Térmica
Diferentes mecanismos de acordo com a natureza:
–
Sólidos
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●
●
–
Fluidos
●
●
–
metálicos (condutores elétricos)
cerâmicas
líquidos
gases
Material Isolante
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Distribuição de valores da
condutividade térmica
Condutividade Térmica de
Sólidos
A condutividade térmica pode ser escrita como
uma composição de dois fatores:
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k s =k ek r
onde:
●
●
kr representa a transferência de energia pela
rede de ligações atômicas/moleculares
ke representa a transferência de energia por
transferência de elétrons entre átomos.
Condutividade Termica [W/m.K]
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Comportamento da Condutividade
Térmica com a Temperatura
500
400
300
200
150
100
80
60
50
35
20
15
10
8
6
5
4
3
2
1
100
Aluminio
Tungstenio
Prata
Cobre
Ouro
Platina
Ferro
Aco Inoxidavel
Oxido de Aluminio
Ceramicos
Quartzo Fundido
150
200
300
400 500 600 800 1000
Temperatura [K]
1500 2000
3000 4000
Condutividade Térmica em
Fluidos
●
Fluidos = ligações moleculares muita mais
fracas que dos sólidos (menor condutividade)
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Sólido
Líquido
Gás
Condutividade Térmica em
Gases
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●
Transferência de energia em gases ocorre
basicamente por colisões (Teoria Cinética dos
gases)
〚
n = número de moléculas / volume
k l =n⋅c⋅ onde c= vel. média das moléculas
=percurso médio das moléculas
Efeitos em função do aumento de:
TEMPERATURA: c aumenta – k aumenta com a temperatura!!!!
●
PRESSÃO: n aumenta e λ diminuem – k sem mudança significativa
●
Comportamento da Condutividade Térmica de Alguns Gases
io
0.3
en
og
dr
Hi
Condutividade Termica [W/m.K ]
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0.25
0.2
He
lio
0.15
0.1
a( 1 a
u
g
a
'
or d
0.05
0
Ar
0
200
D io x i
R-12
tm )
V ap
rb o n o
a
C
e
d
o
d
400
600
Temperatura [K ]
800
1000
Condutividade Térmica em
Líquidos
●
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●
●
o mecanismo que explica a condução em
líquidos não metálicos é mais complexo e
ainda não está bem estabelecido.
de maneira geral para os líquidos:
–
a condutividade térmica aumenta com aumento
de temperatura (excessões: água e glicerina)
–
a condutividade diminui com o aumento do peso
molecular
metais fundidos têm condutividade térmica
muito maior que os outros líquidos
Condutividade Térmica em
Líquidos
0.8
Agua
Condutividade Termica [W/m.K]
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0.7
0.6
0.5
Am
on
ia
0.4
G licerina
0.3
0.2
Oleo de Motor
0.1
0
200
R - 12
250
300
350
400
450
Temperatura [K]
500
550
600
Sistemas de Isolamento Térmico
●
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São compostos normalmente por uma
combinação de dois materiais (gás + fibras ou
pó ou flocos)
O conceito de Condutividade Térmica Efetiva
é utilizado. Neste caso, a condutividade
aparente é função de diversos parâmetros:
caminho percorrido pelo fluxo e as diversas
formas de transferência de calor internas
Isolamento Celular: nome dado ao isolante
quando existe uma matriz rígida.
Difusividade Térmica
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●
O rearranjo das equações de condução levam ao
aparecimento de uma relação entre outras propriedades
que denominamos Difusividade Térmica (α):
k
=
c p
●
●
esta propriedade permite avaliar a “velocidade” com que
o calor se difunde em um dado material.
útil em problemas que envolvem condução transiente