Prof. Msc. Fernando Ernesto Ucker 03 de abril de 2013
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AULA 1 - AULA 1 - IMPORTNCIA Praticamente todos os sistemas
envolvidos na engenharia esto direta ou indiretamente ligados com a
transferncia de calor. Portanto, para que estes sistemas sejam bem
executados, necessrio ao engenheiro conhecer bem os mecanismos
fsicos de transferncia de calor.
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O QUE ? A transferncia de calor pode ser definida como a
transferncia de energia de uma regio para outra como resultado de
uma diferena de temperatura entre elas.
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Ao nvel molecular, a transferncia de calor est fundamentalmente
associada ao choque entre molculas com diferentes graus de agitao,
onde uma molcula mais veloz choca-se com uma molcula menos veloz,
"transferindo" energia cintica. Este mecanismo se chama difuso de
energia trmica. COMO OCORRE?
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O QUE ? Por exemplo: Se dois corpos, com diferentes
temperaturas, so colocados em contato direto, o que ocorrer?
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O QUE ? Por exemplo: Se dois corpos, com diferentes
temperaturas, so colocados em contato direto, o que ocorrer?
Ocorrer uma transferncia de calor do corpo com temperatura maior
para o corpo com temperatura menor, at estabilizao.
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O QUE ? Por exemplo: Se dois corpos, com diferentes
temperaturas, so colocados em contato direto, o que ocorrer?
Ocorrer uma transferncia de calor do corpo com temperatura maior
para o corpo com temperatura menor, at estabilizao.
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O QUE ? Assim que ambos os corpos estabilizarem a temperatura,
dizemos que ocorreu um equilbrio trmico. Os diferentes processos de
transferncia de calor so denominados como mecanismos de
transferncia de calor, e so divididos em trs:
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O QUE ? Assim que ambos os corpos estabilizarem a temperatura,
dizemos que ocorreu um equilbrio trmico. Os diferentes processos de
transferncia de calor so denominados como mecanismos de
transferncia de calor, e so divididos em trs: CONDUO; RADIAO;
CONVECO.
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CONDUO
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Nos corpos slidos, as molculas apresentam forte ligao entre si,
gerando uma estrutura fixa. Assim, mesmo com a transferncia de
energia cintica de uma molcula para outra, no ocorre alterao da
posio espacial das molculas. Ou seja, as molculas trocam energia
entre si, mas no mudam de lugar no espao.
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No experimento demonstrado, uma barra metlica aquecida em uma
de suas extremidades. Observa-se que a temperatura diferente em
cada ponto da barra. As molculas prximas chama recebem calor e so
violentamente agitadas. Pelo contato com as molculas mais prximas,
transferem parte da energia recebida para estas ltimas, e assim
sucessivamente.
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Equao de transferncia de calor por conduo Como visto, a conduo
est associada transferncia de calor por difuso nos corpos slidos,
ou seja, sem a movimentao das molculas. Do ponto de vista prtico,
interessa-nos poder calcular a quantidade de calor que transferida
pelo mecanismo da conduo.
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Equao de transferncia de calor por conduo Considere um objeto
slido (como por exemplo uma placa plana), de espessura L, cujas
faces estejam s temperaturas T1 e T2, sendo que T1 > T2. Ento,
existir atravs da placa um fluxo de calor, expresso pela Lei de
Fourier:
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Equao de transferncia de calor por conduo T = a diferena de
temperatura entre as faces da placa, [K] L = espessura da parede,
[m] q = fluxo de calor, [W. m -2 ] k = constante de
proporcionalidade, chamada de condutividade trmica, e que depende
do material de que feita a placa
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Note que o fluxo de calor representa a taxa de transferncia de
calor por unidade de rea, ou seja, por cada metro quadrado de rea
superficial da parede. A taxa de transferncia de calor total,
atravs da parede, ser obtida multiplicando-se o fluxo de calor pela
rea superficial da parede, ou seja:
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T = a diferena de temperatura entre as faces da placa, [K] L =
espessura da parede, [m] q = fluxo de calor, [W. m -2 ] k =
constante de proporcionalidade, chamada de condutividade trmica, e
que depende do material de que feita a placa A = rea transversal da
parede, [m] Q = taxa de transferncia de calor, [W]
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EXERCCIO 1 A parede de um forno industrial construda de um
tijolo de 0,15 m de espessura, com condutividade trmica de 1,7
W/m.K. As temperaturas nas faces interna e externa da parede so
respectivamente 1400 e 1150 K. Qual a perda de calor atravs de uma
parede de 0,5 m por 3 m?
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Quantidade de calor que passa por cada metro quadrado da
parede.
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Qual a quantidade total de calor?
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RESISTNCIA TRMICA DE CONDUO
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No estudo da eletricidade, observa-se que, havendo uma diferena
de potencial eltrico V entre as extremidades de um condutor eltrico
de resistncia R, existir uma corrente eltrica i atravs do condutor,
dada pela "Lei de Ohm":
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A Lei de Fourier pode ser vista de uma maneira conceitualmente
similar. A diferena de temperatura atravs de um material a funo
potencial ou motora, ou seja, a fora que faz com que exista uma
transferncia de calor atravs deste material, similarmente diferena
de potencial eltrico.
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EXERCCIO 2 Calcular a resistncia trmica de conduo de uma parede
de alvenaria, de 2,5 por 3,0 m, cuja espessura de 30 cm? A
condutividade trmica da alvenaria de 1,0 W/m.K.
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EXERCCIO 2 Calcular a resistncia trmica de conduo de uma parede
de alvenaria, de 2,5 por 3,0 m, cuja espessura de 30 cm? A
condutividade trmica da alvenaria de 1,0 W/m.K.
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EXERCCIO 3 Qual a taxa de transferncia de calor na parede do
exemplo anterior, se for submetida a uma diferena de temperatura de
30 C entre suas faces?
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EXERCCIO 3 Qual a taxa de transferncia de calor na parede do
exemplo anterior, se for submetida a uma diferena de temperatura de
30 C entre suas faces?
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CONDUO EM PAREDES COMPOSTAS
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Exemplos de paredes compostas ????
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Vamos agora partir para a soluo de problemas mais complexos.
Imagine o caso onde mais de um material est presente, como o caso
da parede abaixo, que chamamos de parede composta:
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EXERCCIO 4 A parede externa de uma casa composta por uma camada
de 20 cm de espessura de tijolo comum e uma camada de 5 cm de
gesso. Qual a taxa de transferncia de calor por unidade de rea, se
a face externa da parede se encontra 35 C e a face interna 20
C?
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Exerccio para casa (entregar) Do exerccio anterior, calcule a
espessura de isolamento do material l de rocha, com k = 0,065
W/m.K, que dever ser adicionada parede, para que se reduza a
transferncia de calor em 80%? R: 0,103 m
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