Objetivos

• Compreender a relação entre a Termodinâmica e a Transferência de Calor,

• Distinguir a energia térmica de outros fontes de energia, e a transferência de calor de outras formas de transferência de energia,• Aplicar balanços de energia em volumes e em superfícies de controle,

• Compreender os mecanismos básicos de transferência de calor, os quais são: condução, convecção e radiação e suas respectivas formulações– Condução → Lei de Fourier,– Convecção→ Lei de resfriamento de Newton,– Radiação → Lei de Stefan–Boltzmann.

• Identificar os mecanismos de transferência de calor que ocorrem simultaneamente na prática,• Resolver problemas de transferência de calor.

Transferência de Calor

• O requerimento básico da Transferência de Calor é a presença de uma diferença de temperatura.

• A segunda lei da termodinâmica requer que o calor transferido seja na direção da diminuição de temperatura.

• A taxa de transferência de calor em uma certa direção depende da magnitude da diferença de temperatura nessa direção.

• Quanto maior for a diferença de temperatura, maior será a transferência de calor.

Aplicações de Transferência de Calor

Transferência de Calor

Transferência de calor ocorre quando dois sistemas (Ae B), ou o sistema (A) e seu meio (B), que apresentamdiferenças de temperaturas, são colocados em contatotérmico.A taxa de transferência de calor será função de:q= f (TA , TB, tempo, propriedades termo-físicas,tamanho, formas geométricas, movimento relativo de A e B).

Problemas de Transferência de Calor

Em geral podemos analisar três grandes classes de problemas encontrados na engenharia:

- Isolamentos Térmicos: nestes problemas as temperaturas extremas (TA,TB) são usualmente impostas ao meio que transfere calor, a incógnita é a taxa de transferência de calor Q (ou o fluxo de calor q=Q/A), o objetivo é minimizar Q através da escolha criteriosa dos constituintes do isolamento,

- Projeto de Trocadores de Calor: a incógnita é a temperatura e o objetivo é o aumento da taxa de transferência de calor entre as temperaturas dos fluidos.

- Controle de Temperatura: em alguns projetos térmicos torna-se necessário conhecer o valor da temperatura da superfície (TA ) que proporciona uma transferência de calor Q, por exemplo: nos circuitos elétricos compactos, a temperatura da superfície dos circuitos não pode ser muito maior à temperatura do ambiente. Objetivo: determinar o escoamento de fluido refrigerante que garante a transferência de calor adequada para o ambiente.

Termodinâmica e Transferência de Calor

• A Termodinâmica trata de sistemas em equilíbrios, pode ser utilizada para calcular a quantidade de calor necessária para que um sistema passe de um estado de equilíbrio estável para outro, porém não pode prever o tempo com que esta mudança ira ocorrer, pois o sistema não esta em equilíbrio durante este processo.

• A Transferência de Calor (TC) é a energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura, ela trata com a determinação da taxa de energia que pode ser transferido de um sistema para outro, como resultado dessa diferença de temperatura. A TC é por essência um processo de não equilíbrio.

O que é a transferência de calor?

A transferência de calor é o trânsito de energia térmica devida a uma diferença de temperaturas.

• O que é a energia térmica?

A energia térmica está associada à translação, rotacão, vibração e aos estados eletrônicos dos átomos e moléculas que constituem a matéria.

A energia térmica representa o efeito cumulativo das atividades microscópicicas e está relacionada com a temperatura da matéria.

NÃO confundir ou trocar os significados físicos de Energia Térmica, Temperatura e Transferência de Calor

Mecanismos de Transferência de Calor

• Calor pode ser transferido em três modos:– condução,– convecção,– radiação.

• Todos os modos de transferência requerem da existência de uma diferença de temperatura.

• Em todos os casos, a transferência ocorre de altas temperaturas a baixas temperaturas.

k é a condutividade térmica [W/(m°C)]k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m°C)

k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 W/(m°C)

k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2 W/(m°C)

Condutividade Térmica de diversas substâncias

Exemplo 1.1

A parede de um forno industrial e construída em tijolo refratário com 0,15 m de espessura, cuja condutividade térmica e de 1,7 W/(m·K). Medidas efetuadas ao longo da operação em regime estacionário revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas paredes interna e externa, respectivamente. Qual e a taxa de calor perdida através de uma parede que me de 0,5 m por 1,2 m?

1) Através de uma placa de aço carbono ( k = 60,5 W/m.K ) de 50 por 75 cm, com 2 cm de espessura, existe uma taxa de transferência de calor da ordem de 2500 W. A temperatura de uma face da placa é 250 °C. Calcule a temperatura da outra face da placa.

2) Deseja-se que o fluxo de calor através de um bloco de amianto ( k = 0,74 W/m.K ) seja de 5000 W/m², para uma diferença de temperatura de 200 °C entre as faces do bloco. Qual deve ser a espessura do bloco?

3) Defina condutividade térmica. Explique como a mesma está relacionada com os mecanismos físicos da condução.

4) É mantida uma diferença de 75 °C através de uma manta de fibra de vidro de 11 cm de espessura. A condutividade térmica da fibra de vidro é 0,035 W/m °C. Calcule o fluxo de calor através do material, e a quantidade de calor transferido por m², em uma hora.

EXERCÍCIOS - Condução

Você experimenta um resfriamento por convecção toda vez que estende sua mão para fora da janela de um veículo em movimento ou que a imerge em uma corrente de água fria. Com a superfície de sua mão a uma temperatura de 30oC, determine o fluxo de calor por convecção para (a) o caso de um veículo a 35 km/h em meio ao ar a -5 oC e com coeficiente de transferência de calor por convecção de 40W/m2K, e para (b) uma corrente de água com velocidade de 0,2m/s, temperatura de 10oC e coeficiente de transferência por convecção de 900W/m2K. Qual a condição que o faria sentir mais frio? Compare estes resultados com uma perda de calor de aproximadamente 30W/m2 para condições ambiente normais.

Exemplo 2

Ar a 40°C escoa por sobre um cilindro longo, com 25mm de diâmetro, que possui um aquecedor elétrico no seu interior. Durante uma bateria de testes foram tomadas medidas da potência dissipada por unidade de comprimento do cilindro, P', necessária para manter a temperatura da superfície do cilindro em 300°C para diferentes velocidades V da corrente de ar, medidas em uma posição afastada da superfície. Os resultados obtidos foram os seguintes:

(a) Determine o coeficiente de transferência de calor por convecção para cada velocidade e apresente os seus resultados em um gráfico. (b) Supondo que o coeficiente de convecção depende da velocidade de escoamento do ar de acordo com uma relação do tipo h=CVn , determine os parâmetros C e n para os resultados obtidos na parte (a).

Exemplo 3

Exemplo 1.2

Uma tubulação de vapor d'agua sem isolamento térmico atravessa uma sala na qual o ar e as paredes se encontram a 25°C. O diâmetro externo do tubo é de 70 mm, a temperatura de sua superfície é de 200°C e esta superfície tem emissividade igual a 0,8. Quais são o poder emissivo da superfície e a sua irradiação? Sendo o coeficiente associado à transferência de calor por convecção natural da superfície para o ar de ar de 15 W/(m2·K), qual e a taxa de calor perdida pela superfície por unidade de comprimento do tubo?