Introdução aos Mecanismos de Transferência de Calor

14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 144 Introdução aos mecanismos de transferência de calor Prof Oscar Javier Celis Ariza Descrição Os princípios básicos na transferência de calor condução convecção e radiação Propósito Em sistemas físicos reais os três modos de transferência de calor podem estar presentes Entender esses fenômenos é importante para qualquer projeto de engenharia com a finalidade de obter eficiência e otimização energética Objetivos 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 244 Introdução Olá Assista ao vídeo e compreenda os principais conceitos que serão trabalhados neste conteúdo 1 Condução 14112023 1640 Introdugao aos mecanismos de transferéncia de calor Ao final deste modulo vocé sera capaz de reconhecer os conceitos basicos de transferéncia de calor por conducao Vamos comecar Conhega um pouco sobre a transferéncia de calor por condugao assunto que sera tratado ao longo deste médulo Para assistir a um video sobre o assunto acesse a verso online deste conteudo 0 Calor e temperatura sao conceitos que podem ser confundidos na linguagem cotidiana Por exemplo a frase Nossa que calor 6 uma expressao muito comum para nos referirmos ao conceito de temperatura apesar de mencionarmos a palavra calor Temperatura E uma magnitude fisica que representa a sensacao de frio ou quente de alguma substancia Calor E uma transferéncia de energia de uma parte a outra de um corpo ou entre diferentes corpos sempre acontecendo num diferencial de temperatura Em outras palavras calor é energia em transito fluindo de uma zona de maior temperatura para outra de menor temperatura Por que isso acontece Resposta Como sabemos a matéria esta formada por atomos e moléculas que estao em constante movimento representadas por energia potencial ou cinética Os continuos movimentos e choques entre os atomos ou moléculas transformam parte da energia cinética em calor e portanto mudam a temperatura do corpo Desse modo podemos definir calor como a energia interna total de todos os atomos ou moléculas de uma substancia e temperatura como uma medida média da energia interna dos atomos e moléculas individuais de uma substancia A unidade internacional de energia é o joule J no sistema inglés a unidade de energia é unidade térmica britanica BTU No entanto outra unidade muito conhecida é a caloria 1cal 41868J definida como a energia necessaria para elevar 1C a temperatura de 1 grama de agua a 145C Dois corpos com diferentes temperaturas em contato entre si produzem uma transferéncia de calor desde 0 corpo com maior temperatura para o de menor A transferéncia de calor pode ser realizada por trés mecanismos fisicos condugao convecgao e radiacao httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 344 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 444 Comentário Leis fenômenos características de material meio de transporte entre outros definem cada um dos processos descritos acima Por exemplo a condução acontece em materiais sólidos a convecção ocorre em fluidos e a radiação se propaga em forma de ondas Agora vamos analisar os diferentes tipos de transferência de calor ao esquentar uma panela cheia de água no fogão A chama emite calor que é transportado de forma irradiante por meio de ondas eletromagnéticas radiação Ao entrar em contato com o material da panela a chama começa a elevar a temperatura pelos choques atômicos do metal condução e ao mesmo tempo transfere energia à água fluido elevando a temperatura e começando a produzir vapor O fenômeno de convecção acontece não somente na água mas também no vapor produzido A transferência de calor por condução A condução é o mecanismo de transferência de calor numa escala atômica mediante o choque das moléculas umas com outras em que as partículas mais energéticas entregam energia às menos energéticas produzindo o fluxo de calor desde as elevadas temperaturas para as baixas No entanto nem todo material facilita esse transporte de energia dos átomos Uma característica que representa a capacidade com a qual uma substância conduz calor e produz um diferencial de temperatura é a condutividade térmica Os melhores condutores de calor são os metais com elevados valores de condutividade térmica e em contraste os piores condutores como o ar ou plásticos funcionam como isolantes A unidade no sistema internacional da condutividade térmica é e a tabela abaixo representa valores de condutividade térmica para alguns materiais Metais 25C Gases 20C Outros materiais Material k WmK Material k WmK Material k WmK Alumínio 238 Ar 00234 Concreto 08 Cobre 397 Hélio 0138 Diamante 2300 Ouro 314 Hidrogênio 0172 Vidro 084 Ferro 795 Nitrogênio 00234 Madeira 008 016 Chumbo 347 Oxigênio 00238 Água 056 Prata 427 Latão 110 Wm K 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 544 Tabela Condutividades térmicas Oscar Javier Celis Ariza Difusividade térmica Nos sistemas de análise de transferência de calor por condução em regime transiente outra propriedade dos materiais é muito utilizada a difusividade térmica Essa propriedade representa quão rápido se difunde o calor por um material e é definida como egime transiente Quando o calor varia com o tempo Sendo a difusividade térmica dada em a condutividade térmica em a densidade em e a capacidade calorífica dada em A difusividade térmica de um material é a relação entre o calor conduzido por meio do material condutividade térmica e o calor armazenado por unidade de volume Isso significa que quanto maior for esse valor mais rápida será a propagação de calor pelo meio A tabela abaixo apresenta valores de difusividades térmicas para diferentes materiais Material α m²s Prata 149 x 106 Ouro 127 x 106 Cobre 113 x 106 Alumínio 975 x 106 Ferro 228 x 106 Mercúrio 47 x 106 Mármore 12 x 106 Concreto 075 x 106 Vidro 034 x 106 Água sólido 12 x 106 Águalíquida 014 x 106 α m2s k WmK ρ m3s Cp JK 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 644 Material α m²s Madeira 013 x 106 Valores de difusividade térmica Oscar Javier Celis Ariza Lei de Fourier A condução de calor somente ocorre se existe um diferencial de temperatura entre duas partes do meio condutor Para um volume com espessura e com área de seção transversal com faces opostas a diferentes e tal como se apresenta na figura o calor transferido por unidade de tempo ou fluxo de calor que existe no diferencial de temperatura é representado da seguinte forma Em que é dada em ou Watt é a condutividade térmica em é a área em é a diferença de temperatura em e a espessura ou distância em No caso de limite quando a equação acima se transforma na forma diferencial A equação acima é denominada Lei de Fourier de transferência de calor Vamos analisar o caso de duas placas em contato térmico de espessuras e com condutividades térmicas e tal como apresentado na figura As temperaturas das superfícies externas são e sendo Ou seja existe uma transferência de calor de para Qual seria a temperatura da parede contato entre as placas quando se alcança o estado estacionário Δx A T1 T2 T2 T1 ΔQΔt Q Qcond Js W k Wmk A m2 ΔT K Δx m Δx 0 L1 L2 k1 k2 T1 T2 T2 T1 T2 T1 T 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 744 O fluxo de calor para cada uma das placas será o seguinte Quando se alcança o estado estacionário significa que o fluxo de calor é igual em todo o fenômeno de transferência de calor portanto Ou seja A incógnita aqui é a temperatura da interface Para encontrar o valor é necessário isolar Q1 Q2 Q T 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 844 Substituindo a temperatura em qualquer uma das equações de fluxo de calor encontramos o seguinte Mão na massa T 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 944 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1044 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1144 Teoria na prática black 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1244 Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos 14112023 1640 Introdugao aos mecanismos de transferéncia de calor oer a 2 Conveccao Ao final deste modulo vocé sera capaz de aplicar calculos para resolugao de problemas que envolvem a transferéncia de calor por conveccao Vamos comecar A transferéncia de calor por conveccao Conhega um pouco sobre a transferéncia de calor por conveccao assunto que sera tratado ao longo deste mddulo Para assistir a um video sobre 0 assunto acesse a versdo online deste contetido o Tipos de conveccao de calor A convecgao é 0 mecanismo de transferéncia de calor por movimento de massa ou circulagao dentro da substancia Em auséncia de qualquer movimento massivo de fluido a transferéncia de calor entre uma superficie sdlida e um fluido adjacente acontecera somente por condugao no material sdlido Existem dois tipos de convecgao que dependem da fonte de movimento de massa dentro do fluido httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1344 14112023 1640 Introdugao aos mecanismos de transferéncia de calor O processo de transferéncia de calor que envolve mudanga de fase de um fluido também é considerado por convecgao devido ao movimento desse fluido induzido no processo Sao exemplos a elevacao de bolhas de vapor durante a ebulicao ou a queda de goticulas de liquido durante a condensagao A taxa de rapidez de transferéncia de calor por convecgao é proporcional a diferenga de temperatura e é expressa pela Lei de Newton de resfriamento assim Em que h é 0 coeficiente de transferéncia de calor por convecgdo em Wm K A a drea da superficie que entrega o calor m7 Téa temperatura da superficie e T 6 a temperatura do fluido adjacente e que esta afastado da superficie chamada também de temperatura ambiente Z o Too ew AXP SS Ny KH eal r O fluxo de calor por convecgao é positivo Qeon 0 se o calor é transferido da superficie de area A ao fluido Ts T e negativo se o calor for transferido desde o fluido até a superficie Ts T O coeficiente de transferéncia de calor por convecgao h nao é uma propriedade do fluido é na verdade um parametro determinado de forma experimental e cujo valor depende de diversas variaveis tais como a geometria da superficie a natureza do movimento do fluido as propriedades fisicoquimicas do fluido e a velocidade A tabela abaixo apresenta valores tipicos de coeficientes de transferéncia de calor por conveccao Tipode convecgao hWmK Convecgao natural httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1444 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1544 Tipode convecção hWm²K Gases 2 25 Líquidos 10 1000 Convecção forçada Gases 25 250 Líquidos 50 20000 Mudança de fase ebulição e condensação Gaseslíquidos 2500 100000 Tabela Valores típicos de coeficiente de transferência de calor por convecção Oscar Javier Celis Ariza Por exemplo vamos calcular a energia que se perde por convecção de uma janela que está a e a temperatura exterior a sabendo que a área da janela é de e o coeficiente de transferência de calor é de Observando a equação da Lei de Newton de resfriamento todos os valores são conhecidos mas precisamos ter cuidado com as unidades utilizadas Logo a temperatura da superfície e a temperatura ambiente são e respectivamente Substituindo temos Transferência de calor com mudança de fase São considerados os processos que ocorrem pela mudança de estado ebulição líquido para vapor ou condensação vapor para líquido Nesses casos os efeitos do calor latente associados na mudança de fase são significativos Para derreter um sólido precisase de energia uma vez que é necessário quebrar as forças atraentes entre as moléculas do sólido para que no líquido as moléculas possam se mover com energias cinéticas iguais e portanto não ter aumento na temperatura Além disso é preciso energia para vaporizar um líquido por razões semelhantes Em contraste o trabalho é feito por forças atraentes quando as moléculas se unem durante o congelamento e a condensação Essa energia deve ser transferida para fora do sistema geralmente sob a forma de calor para permitir que as moléculas fiquem juntas Comentário A energia envolvida em uma mudança de fase depende do número de vínculos ou pares de forças e sua resistência O número de ligações é proporcional ao número de moléculas e portanto à massa da amostra A massa de energia por unidade necessária para que uma substância passe da fase sólida para a fase líquida ou que é liberada quando a substância passa de líquido para sólido é conhecida como calor de fusão A massa de energia por unidade necessária para que uma substância passe da fase líquida para a fase de vapor é conhecida como calor de vaporização A resistência das forças depende do tipo de moléculas O calor Q absorvido ou liberado em uma mudança de fase em uma amostra de massa m é dado por 10C 0C 1 2m2 4Wm2K 283K 273K 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1644 Em que o calor de fusão latente e o calor de vaporização latente são constantes fundamentais determinadas experimentalmente calores latentes também são chamados de coeficientes de calor latentes e calores de transformação Essas constantes são latentes ou ocultas pois em mudanças de fase a energia entra ou sai de um sistema sem causar uma mudança de temperatura nele de modo que de fato a energia está escondida A tabela abaixo apresenta valores representativos de e em juntamente com pontos de fusão e ebulição Note que em geral Substância Ponto de fusão C Lf kJkg Ponto de ebulição C Lv kJkg Hidrogênio 2593 586 2529 452 Nitrogênio 210 255 1958 201 Oxigênio 2188 138 1830 213 Etanol 114 104 783 854 Mercúrio 389 118 357 272 Água 0 334 100 2256 Tabela Pontos de fusão e ebulição Oscar Javier Celis Ariza Notase que a transferência de calor geralmente causa uma mudança de temperatura Experimentos indicam que sem mudança de fase e sem trabalho feito dentro ou pelo sistema o calor transferido geralmente é diretamente proporcional à mudança de temperatura e à massa do sistema Uma abordagem prática para a relação entre transferência de calor e mudança de temperatura é Em que é o calor é a massa da substância e são a temperatura final e a inicial respectivamente O representa o calor específico ou a capacidade calorífica que depende do material e da fase Na tabela abaixo são apresentados diferentes valores de capacidade caloríficas Substância Calorcalorífico JkgK Alumínio 900 Cobre 387 Vidro 840 Ouro 129 Etanol 2450 Lf Lv Lt Ly kJkg Lk Lf Q m Tf Ti Cp 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1744 Substância Calorcalorífico JkgK Mercúrio 139 Água 4186 Ar 721 Ar seco 1015 Dióxido de carbono 638 Tabela Capacidade caloríficas Oscar Javier Celis Ariza Mão na massa 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1844 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 1944 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2044 Teoria na prática Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos black 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2144 14112023 1640 Introdugao aos mecanismos de transferéncia de calor ad py ba y i 4 a Ao final deste modulo vocé sera capaz de analisar as principais leis que estudam o fendmeno de transferéncia de calor por radiacao Vamos comecar Conhega um pouco sobre a transferéncia de calor por radiacgao assunto que sera tratato ao longo deste mddulo Para assistir a um video sobre o assunto acesse a versdo online deste contetido 0 A radiagao térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a determinada temperatura e se produz diretamente desde a fonte para fora em todas as diregdes Essa energia é produzida pela mudanga nas configuragées eletrénicas dos atomos ou moléculas constituidas e transportadas por ondas eletromagnéticas ou fotons chamadas de radiacao eletromagnética Comentario Diferentemente da condug4o e da convecao a radiagao eletromagnética é independente da matéria para a sua propagacao De fato a transferéncia de calor por radiagao é a mais rapida e nao sofre atenuacao no vacuo httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2244 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2344 Todos os objetos emitem energia radiante qualquer que seja a sua temperatura A radiação é um fenômeno volumétrico e todos os sólidos líquidos e gases emitem absorvem e transmitem radiação em diversos níveis No entanto a radiação é considerada um fenômeno superficial em sólidos que são opacos à radiação térmica tais como os metais madeira e rochas A transferência de radiação por uma superfície de área As a uma temperatura T é calculada pela rapidez na qual é liberada a energia por radiação e esta é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta conhecida como Lei de StefanBoltzmann Em que é chamada de constante de StefanBoltzmann e é uma propriedade radiativa da superfície chamada de emissividade O valor da emissividade está num intervalo entre e Emissividade e absortividade O máximo valor de emissividade é atribuído à radiação de corpo negro chamado de absorvedor perfeito Isso não significa que seja de cor negra é assim definido o objeto ideal que absorve toda a radiação que chega à superfície Ainda não se conhece um objeto assim mas uma superfície de negro de carvão pode chegar a absorver aproximadamente 97 da radiação incidente Os corpos com emissividades entre e são chamados de corpos cinzas e são objetos reais Atenção Outra importante propriedade relativa na radiação de uma superfície é a absortividade que é uma fração da energia de radiação incidente sobre uma superfície absorvida por ela Assim como a emissividade o seu valor está entre um intervalo de e Um corpo negro absorve toda a radiação incidente ou seja um excelente absorvedor no mesmo modo que é um emissor perfeito A tabela abaixo apresenta valores de emissividade para diferentes tipos de materiais Material Emissividade Folha de alumínio 007 Alumínio anodizado 082 Cobre 003 Ouro 003 Prata 002 Aço inox 017 Tinta negra 098 Tinta branca 090 Papel branco 092 097 Asfalto 0850 093 σ 5 67 108 W m2 K4 ε 0 1 ε 1 0 1 α 0 1 α 1 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2444 Material Emissividade Tijolo vermelho 093 096 Pele humana 095 Madeira 082 092 Solo 093 096 Água 096 Vegetação 092 096 Tabela Valores de emissividade Oscar Javier Celis Ariza O fluxo máximo de radiação que pode ser emitida por uma superfície a uma temperatura termodinâmica ou pode ser também expressada pela Lei de StefanBoltzmann como Por exemplo vamos calcular a radiação máxima por cada da superfície de uma rodovia A superfície da rodovia está a uma temperatura de e recebe uma energia radiante diretamente do solo de A energia máxima emitida pela superfície é Por outro lado se a rodovia está recebendo do sol uma radiação de e a superfície emite uma radiação máxima de podemos afirmar que o material está absorvendo calculado assim Lei de Kirchhoff Como podemos observar tanto ε como α de uma superfície dependem da temperatura e do comprimento de onda da radiação A Lei de Kirchoff da radiação afirma que a emissividade e a absortividade de uma superfície são iguais a uma temperatura e comprimento de ondas No entanto algumas vezes as temperaturas da superfície e da fonte de radiação incidente são da mesma magnitude e portanto a absortividade média de uma superfície é considerada igual 00E0 sua emissividade média Logo podemos definir quanto uma superfície absorve radiação mediante a seguinte relação Ts K R m2 320K 47C 700Wm2 700 Wm2 594 5 Wm2 105 5 Wm2 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2544 Na qual é a taxa de radiação incidente sobre a superfície Para superfícies opacas não transparentes a parte da radiação absorvida é a transferência máxima de calor por radiação Portanto se a taxa de absorção da radiação é maior que a emissão dizse que a superfície está ganhando energia por radiação do contrário perderá Em ambientes fechados com uma superfície de emissividade área superficial temperatura termodinâmica e temperatura ambiente por exemplo ar a taxa de transferência de calor por radiação é dada por Nesse caso a emissividade e a área superficial do ambiente não interferem sobre a transferência de calor por radiação Exemplo Considere uma pessoa que está parada dentro de um quarto cuja temperatura é mantida a 22C em todo o momento No inverno todas as superfícies interiores das paredes pisos e teto são mantidas numa temperatura média de 10C Qual seria o fluxo de radiação de transferência de calor por radiação entre a pessoa e as superfícies se a área superficial exposta e a temperatura da pessoa são de 14m² e 30C respectivamente Podemos considerar nesse caso que a emissividade da pele humana é de 095 valor tabelado Lembrese novamente do cuidado de utilizar as unidades corretas convertemos a temperatura da pessoa e do ambiente respectivamente para 303K e 283K A radiação no ambiente fechado será Qincidente ε As Tα T 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2644 Mão na massa 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2744 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2844 Teoria na prática black 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 2944 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3044 Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos 14112023 1640 Introdugao aos mecanismos de transferéncia de calor Le a ra A29 ss SO A a wee NY asOLa 20 a am Eon At 20 a SI O 1 60s Ag Oae ii hs NX Am oe VN 4 Mecanismos combinados de transferéncia de calor Ao final deste mddulo vocé sera capaz de aplicar calculos para a resolucao de problemas que envolvem um ou mais tipos de transferéncia de calor no mesmo sistema Vamos comecar Problemas que envolvem um ou mais tipos de transferéncia de calor no mesmo sistema Conhega agora os problemas envolvendo tipos de transferéncia de calor no mesmo sistema Para assistir a um video sobre o assunto acesse a D versao online deste conteudo A Coeficiente combinado de transferéncia de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3144 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3244 A transferência de calor por radiação para ou de uma superfície cercada por um gás como o ar ocorre paralelamente à condução ou convecção se você tiver um movimento significativo do gás entre essa superfície e o gás Portanto a transferência total de calor é determinada somandose as contribuições dos dois mecanismos de transferência Para simplicidade e conveniência isso é frequentemente feito definindo um coeficiente combinado de transferência de calor A transferência de calor para ou de uma superfície por convecção e radiação é expressa como Em que o é Podemos observar que o coeficiente combinado de transferência de calor é fortemente dependente da temperatura enquanto o tem pouca dependência A radiação é geralmente significativa em relação à condução ou convecção natural mas insignificante em relação à convecção forçada Portanto em aplicações de convecção forçada a radiação é geralmente descartada especialmente quando as superfícies envolvidas têm baixa emissividade e temperaturas baixas a moderadas Vamos considerar uma pessoa parada dentro de um quarto a Suponha que a área superficial exposta e a temperatura da pele sejam e respectivamente Para um coeficiente de transferência de calor por convecção de e uma emissividade roupas e pele de qual deve ser a taxa de transferência de calor dessa pessoa considerando que as temperaturas das superfícies internas do quarto sejam semelhante à do ar Resposta Nesse caso temos um problema que envolve tanto convecção pelo ar quanto irradiação Como a temperatura das paredes internas assim como a do ar são iguais podemos considerar o cálculo de taxa de calor total mediante um coeficiente de transferência combinado Do contrário o adequado seria calcular os calores de radiação e convecção separadamente e no final somar esses dois Portanto Posteriormente calculamos a taxa de transferência de calor total hcombinado hcop 18C 1 7m2 32C 5Wm2K 0 9 hcombinado 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3344 Transferência de uma única forma Ao longo do conteúdo estudamos que existem três mecanismos de transferência de calor mas os três não podem existir simultaneamente em um meio Por exemplo a transferência de calor ocorre apenas por condução em sólidos opacos ou por condução e radiação em sólidos semitransparentes Portanto um sólido pode incluir condução e radiação mas não convecção No entanto um sólido pode ter transferência de calor por convecção eou radiação em suas superfícies expostas a um fluido ou outras superfícies Finalmente a transferência de calor por meio do vácuo só é produzida por radiação uma vez que a condução e a convecção requerem a presença de um meio material Exemplo Vamos considerar a transferência de calor em regime estacionário entre duas placas paralelas às temperaturas constantes de e separadas entre elas por Supondo que as duas superfícies são corpos negros e que o espaço entre elas está recheado de um superisolante opaco com condutividade térmica de qual seria a transferência de calor entre as placas por unidade de área superficial Observemos que qualquer tipo de radiação incidente nas placas será absorvido totalmente e transferido ao interior entre essas duas placas pois a definição de corpo negro descreve esse comportamento Em outras palavras dentro das duas placas podem acontecer dois tipos de transferência de calor radiação ou condução Mas será que temos radiação Uma vez que o material é um sólido opaco a transferência de calor por condução é predominante se fosse um material semitransparente as duas transferências aconteceriam no meio Portanto vamos calcular a taxa de transferência de calor por condução entre essas duas placas Agora vamos imaginar que o espaço entre essas duas placas seja o vácuo qual tipo de transferência de calor predomina Sem a existência de algum material sólido e somente com a presença de vácuo a única transferência de calor possível nesse meio é a radiação No entanto precisaremos calcular a radiação absorvida por cada uma dessas placas da seguinte forma Transferência em duas formas A transferência de calor é por condução e possivelmente radiação em um fluido estático sem movimento maciço do fluido e por convecção e radiação em um fluido fluindo Na ausência de radiação a transferência de calor por meio de um fluido é por convecção dependendo da presença T1 290K T2 150K 2cm ε 1 0 00015WmK 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3444 de algum movimento maciço desse fluido A convecção pode ser concebida como condução e movimento do fluido combinado e a condução em um fluido pode ser concebida como um caso especial de convecção na ausência de qualquer movimento desse fluido Portanto ao lidar com a transferência de calor através de um fluido você tem condução ou convecção mas não ambos Além disso os gases são virtualmente transparentes à radiação exceto por alguns que são conhecidos por absorver radiação com grande força em certos comprimentos de onda O ozônio por exemplo absorve intensamente a radiação ultravioleta Mas na maioria dos casos um gás entre duas superfícies sólidas não interfere com a radiação e age efetivamente como um vácuo Por outro lado os líquidos geralmente são fortes absorventes de radiação Exemplo Vamos imaginar um tanque esférico de aço inox com diâmetro interno de 3m para armazenar água com gelo a 0C O tanque está num local onde a temperatura é de 25C Supondo que todo o tanque de aço inox está a 0C e portanto a resistência térmica dele pode ser desprezada qual deve ser a taxa de calor até a água com gelo A emissividade da superfície exterior do tanque é de 075 e o coeficiente de transferência de calor por convecção sobre a superfície externa é estimado de 30Wm²K Suponha que a temperatura média da superfície circundante para a troca de calor por radiação seja de 15C Nesse caso analisando a transferência de calor desde o ponto mais quente temperatura do local até o interior do tanque água e gelo a 0C existiriam os três tipos de transferência radiação e convecção no ar até a superfície do tanque e condução pelo material de aço inox No entanto este último é desconsiderado segundo as condições descritas no problema Portanto radiação e convecção estão presentes neste processo Será possível tratar esse problema mediante o cálculo do coeficiente de transferência de calor combinado Infelizmente não já que a temperatura externa para a convecção é diferente da radiação 25ºC e 15ºC respectivamente Ou seja precisaremos calcular separadamente e depois somar as duas Realizando os cálculos para a taxa de calor para a radiação considerando a área de uma esfera temos Por outro lado a taxa de calor por convecção para uma temperatura ambiente de 25C será Finalmente a taxa de transferência de calor total hcombinado 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3544 O sinal negativo significa que o calor está sendo transferido desde fora superfície para dentro do tanque ou seja a água recebe um calor de 228kW Balanço de energia em uma superfície Temos falado de como pode se propagar o calor em um meio podendo ser de uma única forma condução em sólidos opacos ou radiação no vazio ou de duas formas convecção e radiação em fluidos No entanto quando estamos falando de um sistema no qual estão entrando e saindo diferentes formas de energia é preciso realizar um balanço especificamente em superfícies onde podem estar acontecendo os três diferentes tipos de transferência de calor Em situações em que a superfície é o sistema de controle podemos aplicar o princípio de conservação de energia da seguinte forma A equação descrita acima vale tanto para condições de regime estacionário ou regime transiente No caso de regime estacionário o termo é considerado nulo portanto A seguir são mostrados três termos de transferência de calor para uma superfície de controle Podemos observar que o balanço de energia se resume Observe a imagem que demonstra a transferência de calor No verão as superfícies internas e externas de uma parede de de espessura se encontram a e respectivamente A superfície exterior troca calor por radiação com as superfícies que a rodeiam a e por convecção com o ar do ambiente também a com um coeficiente de transferência de A radiação solar incide sobre a superfície a uma taxa de e tanto a emissividade quanto a absortividade da superfície exterior são de Qual será o valor da condutividade térmica da parede Eacumula 25cm 27C 44C 40C 40C 8Wm2K 150Wm2 0 8 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3644 Por fim encontramos um caso no qual os três tipos de transferência de calor acontecem A incógnita está associada ao termo da transferência de calor por condução a condutividade térmica da parede Assumindo um balanço de energia na superfície externa vamos reconhecer todos os tipos de transferência de calor que acontecem Temos a radiação solar entrando na parede Além disso temos convecção e radiação saindo da parede para o ambiente Finalmente condução de calor da parede externa para a interna Será que não tem energia absorvida pelo material Resposta A emissividade de um material está correlacionada com a capacidade de absorção da superfície De acordo com a Lei de Kirchhoff a emissividade de uma superfície à temperatura é igual à absortividade para uma radiação incidente originada de um corpo à mesma temperatura Ou seja toda a energia que o material absorveu será emitida para o ambiente Portanto não temos absorção O balanço de energia na superfície externa assumindo um regime estacionário é o seguinte Observemos que a taxa de convecção e radiação que abandonam a superfície avançam para a mesma temperatura externa 40C Assim podemos considerar esse cálculo como uma combinação das duas utilizando um coeficiente de transferência combinado Portanto Qsol Qconv Qrad Qcond ε T α hcombinado 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3744 Vamos tentar encontrar os valores para cada um dos termos descritos acima O termo da taxa de transferência de calor combinado convecção e radiação pode ser estimado assim Primeiro calculamos o coeficiente de transferência de calor combinado Posteriormente calculamos a taxa de transferência de calor combinada por unidade de área Conhecendo a taxa de transferência de calor da radiação solar mais a combinada podemos saber a taxa de transferência de calor por condução Mediante a equação de transferência de calor por condutividade é possível finalmente calcular a condutividade térmica do material 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3844 Mão na massa 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 3944 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 4044 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 4144 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 4244 Teoria na prática Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos black 14112023 1640 Introdução aos mecanismos de transferência de calor httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 4344 14112023 1640 Introdugao aos mecanismos de transferéncia de calor Como vimos a transmissao de calor é uma area relevante em multiplos problemas de engenharia e na vida cotidiana Observamos o fato de que os mecanismos de transferéncia de calor permitem controlar temperatura aumentar e diminuir 0 fluxo de calor em qualquer uma das suas formas ou combinagoes entre elas httpsstecineazureedgenetrepositorio00212en04344indexhtmlimprimir 4444