Aula 02
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EP34D Fenômenos de Transporte Prof. Dr. André Damiani Rocha [email protected] Aula 02 – Introdução à Transferência de Calor 2 Aula 02 Introdução à Transferência de Calor O que é Transferência de Calor? Transferência de Calor é a energia térmica em trânsito devido a diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios diferentes, ocorre, necessariamente, transferência de calor. 3 Aula 02 Introdução à Transferência de Calor O que é Energia Térmica? Energia térmica é associada a translação, rotação, vibração das moléculas que compõe a matéria. Ela representa o efeito acumulativo das atividades microscópicas e é diretamente relacionada com a temperatura. 4 Aula 02 Introdução à Transferência de Calor Quantidade Energia Térmica Temperatura Significado Símbolo Unid. Energia associada ao comportamente microscópico da matéria U ou u J ou J/kg Meio indiretamente de avaliar a quantidade de energia térmica armazenada na matéria T K ou oC Transferência de Calor Energia Térmica transportada devido ao gradiente de temperatura Calor Quantidade de Energia Térmica transferida em um intervalo de tempo Q J Taxa de Calor Energia Térmica transferida por intervalo de tempo q W Fluxo de Calor Energia térmica transferida por unidade de área q” W/m2 Não confunda ou troque os significados de Energia Térmica, Temperatura e Transferência de Calor. 5 Aula 02 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Condução de Calor Convecção de Calor Radiação de Calor 6 Aula 02 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Quando existe um gradiente de temperatura em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um líquido, usamos o termo Condução para nos referirmos à transferência de calor que irá ocorrer através do meio. 7 Aula 02 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Por outro lado, o termo Convecção refere-se a transferência de calor que irá ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento quando eles se encontram em temperaturas diferentes. 8 Aula 02 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Um terceiro mecanismo de transferência de calor é conhecido como Radiação Térmica. Todas as superfícies a uma temperatura não nula emitem energia na forma de onda eletromagnéticas. Assim, na ausência de um meio que se interponha entre duas superfícies a diferentes temperaturas existe transferência de calor por radiação. 9 Aula 02 Condução Ao mencionar a palavra condução, devemos nos lembrar imediatamente dos conceitos de atividade atômica e molecular, uma vez que são processos físicos que ocorrem a esses níveis. A condução pode ser vista como a transferência de energia das partículas mais energéticas para as partículas de menor energia, em um meio, devido às iterações entre elas. Existem vários exemplos de transferência de calor por condução. A ponta de uma colher de metal, quando imersa em uma xícara de café quente, será aquecida devida a condução de energia através da colher. 10 Aula 02 Condução Para condução de calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida como Lei de Fourier. q ' ' kT k – condutividade térmica; T – gradiente de temperatura Para a parede plana unidimensional, regime estacionário, condutividade térmica constante, a equação da taxa de transferência de calor é dada por: dT T2 T1 T1 T2 q k k k dx L L " x 11 Aula 02 Condução 12 Aula 02 Convecção O modo de transferência de calor por convecção é composto de dois mecanismos. Além da transferência de calor devido ao movimento do aleatório molecular (difusão), a energia também é transferida através do movimento global, ou macroscópico, do fluido. Esse movimento é associado ao fato de que, em qualquer instante, um grande número de moléculas está se movimentando coletivamente ou na forma de agregados de moléculas. Tal movimento, na presença de gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. Estamos especialmente interessados na transferência de calor por convecção, que ocorre entre um fluido em movimento e uma superfície quando os dois se encontram a diferentes temperaturas. 13 Aula 02 Convecção A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento. Referimo-nos a convecção forçada quando o escoamento é causada por meios externos tais como um ventilador, uma bomba ou ventos atmosféricos. Já a convecção livre ou convecção natural o escoamento é induzido por forças de empuxo, que são originadas por diferença de densidade causadas por variações de temperatura no fluido. 14 Aula 02 Convecção Para a convecção, a equação transferência de calor conhecida Resfriamento de Newton. q hTS T " da taxa pela Lei de de h – coeficiente de transferência de calor; Ts – temperatura da superfície; T - temperatura da corrente livre; 15 Aula 02 Convecção Valores típicos para coeficiente de transferência de calor por convecção Processo h (W/m2K) Convecção livre Gases Líquidos 2 - 25 50 – 1.000 Convecção Forçada Gases Líquidos Convecção com mudança de fase (Ebulição ou Condesação) 25 - 250 100 – 20.000 2.500 – 100.000 16 Aula 02 Radiação Radiação térmica é a energia emitida por toda matéria que se encontra a uma temperatura finita. Embora o enfoque esteja direcionado para a radiação emitida por superfícies sólidas, as emissões também podem ocorrer a partir de líquidos e gases. Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças nas configurações dos elétrons que constituem os átomos ou moléculas. Enquanto a transferência de calor por condução e convecção requer a presença de um meio material, a radiação não necessita dele. Na realidade, a transferência por radiação ocorre de forma mais eficiente no vácuo. 17 Aula 02 Radiação A taxa líquida de transferência de calor por radiação a partir de uma superfície, expressa por unidade de área da superfície, é dada por: q " rad q 4 4 (TS Tviz ) A constante de Stefan Boltzman 5,67 x108W / m2 K 4 Energia perdida devido a emissão: Poder Emissivo Energia absorvida devido a irradiação E EB Ts4 Irradiação (W/m2) G G G 2 abs E Poder Emissivo (W/m ) emissividade Gabs Radiação incidente absorvida (W/m2) Eb Poder emissivo do corpo negro absorvidade 18 Aula 02 Exemplo 1 Uma taxa de calor de 3kW é conduzida através de uma parede isolante de área igual a 10m2 e espessura de 2,5cm. Se a temperatura interna da parede é de 415oC e a condutividade do material é de 0,2W/mK, qual a temperatura externa da parede? Resposta: Te = 377,5oC 19 Aula 02 Exemplo 2 Você experimenta o resfriamento por convecção toda vez que coloca a mão para fora da janela de um veículo em movimento. Com a superfície de sua mão a uma temperatura de 30oC, determine o fluxo de calor por convecção para uma condição onde o veículo se desloca a 35km/h no ar a -5oC com coeficiente de convecção igual a 40W/m2K. Resposta: q = 1800W/m2 20 Aula 02 Exemplo 3 Uma superfície de área 0,5m2, emissividade de 80% e temperatura de 150oC é colocada em uma câmara grande e vazia cujas paredes são mantidas a 25oC. Qual a taxa na qual a radiação é emitida pela superfície? Qual a taxa líquida de transferência de calor por radiação entre a superfície e as paredes da câmara? Resposta: qemitida = 727,1W; q = 548W 21 Referências SHAPIRO, H.N.; MORAN, M.J.; MUNSON, B.R.; DEWITT, D.P. Introdução à engenharia de sistemas térmicos: termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2005. 604 p. INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P.; BERGMAN, T.L.; LAVINE, A. Fundamentos de transferência de calor e
