AULA 10 FENÔMENOS DE TRANSPORTE Prof. Joel Augusto Engenharias 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. 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. • Arranjo totalmente desordenado; • Volume indefinido; • Partículas livres para se moverem. Aquece Aquece Re sfria 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 T 1 > T2 Q q= Quantidadede calor que atravessauma área A Q = Intervalode 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 CALOR E FLUXO DE CALOR CALOR (Q) 1kcal = 1000cal = 4,184kJ = 4184J 1Btu = 252,16cal 1kW.h = 3,6.103 kJ FLUXO DE CALOR (q) 1J/s = 1W 1kJ/h = 2,778.10-4kW 1 Btu/h = 0,29307W Fluxo de Calor na Condução • “Lei de Fourier”: A (T1 T2 ) qcond = 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) 25 Fluxo de Calor na Condução 26 Fluxo de Calor na Condução 27 28 29 Condições de Contorno – Condução Unidimensional – Parede Plana 30 Condutividade Térmica de diversas substâncias 31 Condutividade Térmica de diversas substâncias 32 Condução - Aplicações e consequências • 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) 33 Fluxo de Calor na Condução 34 Fluxo de Calor na Condução 35 36 Resistência térmica 37 Resistência térmica 38 Resistência térmica Condução DT DT q = k A = L L kA = q DT R onde, DT é o potencialtérmico e R é a resistência térmica do sistema 39 Resistência térmica 40 Resistência térmica 41 Resistência térmica 42 Resistência térmica 43 44 45
