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Aula 1 - Fundamentos de Ciências Térmicas
CEFET_BA
PROFº DIÓGENES GANGHIS
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Definições iniciaisEnergia (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)
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Gás• Forma indefinida;
• Arranjo totalmente desordenado;
• Volume indefinido;• Partículas livres para se moverem.
Principais Estados da Matéria
Sólido• Forma rígida;
• Arranjo compacto, ordenado;• Volume definido;• Movimento molecular restrito.
Líquido • Forma indefinida;
• Arranjo desordenado;
• Volume definido;• Partículas movem-se umas entre as outras.
sfriaRe
Aquece
sfriaRe
Aquece
4
Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.
Temperatura: Noção intuitiva
T1T2
T1 > T2
T T
contato
T1 > Teq > T2
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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.
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Unidades de medida de calorcaloria – calJoule – JBritish thermal unit – Btu
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.
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.
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Convenção para a Troca de calor
calor recebido
calor retirado
Q > 0
Q < 0
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Troca de CalorCorpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio.
0...321 nQQQQ
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.
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• 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.
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O que ocorre com a temperatura de um corpo quando se transfere calor a ele??
A temperatura pode aumentar ou não.
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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 T = m c T
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)];
T = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC].
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H2OBarra de
ferroCalores 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.
Calor específico e capacidade calorífica
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Valores de c (25ºC e 1 atm)Calor Específico Calor Específico Molar
Substância cal/(g.K) J/(kg.K) J/(mol.K) Sólidos ElementaresChumboTungstênioPrataCobreAlumínio
0,0305 0,0321 0,0564 0,0923 0,215
128 134 236 386 900
26,5 24,8 25,5 24,5 24,4
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
Fonte: Halliday
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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.).
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Calor LatenteQuando 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
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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.
Mudança de fase
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Q = m L- 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).
Cálculo da troca de calor latente
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Qual a velocidade de uma Troca de Calor?
Velocidade Fluxo de calor
t
Q
tempo de Intervalo
Aárea uma atravessa que calor de Quantidadeq
No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.
A
T1 > T2
Q
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“Grandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos”.
Temperatura (uma definição):
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Processos de Transferência de Calor
• Condução
• Convecção
• Radiação térmica
Condução Convecção Radiação térmica
21
Condução
Fonte: www.terra.com.br/fisicanet
Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto.
Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar.
Característico de meios estacionários.
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Condução de Calor
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Condução
A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.
Calor
Condução de calor ao longo de uma barra.
Condução de calor ao longo de gás confinado.
T1 > T2
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Fluxo de Calor na Condução
• “Lei de Fourier”:
L
)TT(Akqcond
21
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)
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Condutividade Térmica de diversas substâncias
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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)
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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
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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.
Convecção natural e forçada
Transporte natural de fluidos
Convecção natural
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Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos.
Convecção natural e forçada
Convecção forçada
Transporte forçado de fluidos
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Fluxo de Calor na Convecção • “Lei de Newton do Resfriamento”:
)TT(Ahq sconv
- h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)]
Área A
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Coeficiente de transferência de calor por convecção - h
Processo h [W/(m2 K)]
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
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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.
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Radiação Térmica ou Irradiação
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Ondas eletromagnéticas
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Transmissão de calor por Radiação
itra QQQQ 1 tra
de)(absorvida Q
Qa
i
a )aderefletivid( Q
Qr
i
r )vidadetransmissi( Q
Qt
i
t
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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).
1tra
Modelos adotados na radiação térmica
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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).
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Fluxo de calor na Radiação
“Lei de Stefan-Boltzmann”:
reais) (corpos
negro) (corpo negro) (corpo
4rad
4
máxima
rad
TA
qE
TA
qE
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:
44vizinhançaSuperfície
rad TTA
q
Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente;Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior, suposta mais fria.
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Radiação Térmica - Aplicações
• Fonte alternativa de energia;
• Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infra-vermelho provenientes da terra.
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Processos de Transferência de Calor
Trocador de Calor
Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações.
43
Resistência térmica
sistema do térmica aresistênci a é R
e térmico potencial o é T onde, R
Tq
Ah
TTAhq
1
AkLT
L
TAkq
Condução Convecção
44
Mecanismos Combinados detransferência de calor
AhAk
L
AhqTTTTTT
Ah
qTT
Ak
LqTT
Ah
qTT
.
1
..
1.
.)(
.
.)(
.)(
21433221
243
32
121
tRtotalT
qRRR
TT
AhAkL
Ah
TTq
321
41
.2
1..1
141
45
Mecanismos Combinados detransferência de calor
A.h1
A.kL
A.kL
A.h1
TT
RRRR
TT
R
Tq
e2
2
1
1
i
51
eisorefi
51
t
total