Slide - Transferência de Calor - Fenômenos de Transporte 2021 1

Fenômenos de Transporte Transferência de Calor Fenômenos de Transporte 2 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Transferência de Calor Introdução ▪ A energia pode ser transferida por interações de um sistema com a sua vizinhança (conceito termodinâmico). ▪ Na termodinâmica, estamos interessados nos estados inicial e final do processo, ou seja, na quantidade de energia transferida. ▪ Na transferência de calor estaremos interessados no modo em que ocorre a transferência de calor através de equações e conceitos que nos permitam calcular fluxos e densidade de fluxos de transf. de calor. Fenômenos de Transporte 3 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Transferência de Calor Introdução ▪ Calor ? É a energia térmica em trânsito em razão de uma diferença de temperaturas (gradiente de temperatura). ▪ A transferência de calor ocorre em sólidos (ao tocar uma superfície), fluidos (ar condicionado) e entre sólidos-fluidos (panela, efeito estufa, geladeira). ▪ A transferência se dá por três meios (formas): condução, convecção e radiação. Fenômenos de Transporte 4 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Transferência de Calor Introdução ▪ Dentro do estudo da transferência de calor, teremos de definir/determinar o mecanismo de transporte de calor. ▪ Determinar a distribuição de temperatura e dos fluxos de calor. ▪ Para isso, estudaremos a definição de cada um dos mecanismos, bem como sua aplicação e equacionamento. Fenômenos de Transporte 5 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. FENÔMENOS DE TRANSPORTE Condução Fenômenos de Transporte 6 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução ▪ Está relacionada com as atividades atômicas e moleculares ▪ Definição: É a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substância como consequência das interações entre partículas. ▪ A temperatura é uma medida da atividade térmica atômica ou molecular em uma substância. ▪ Em outras palavras, a transferência de calor por condução SEMPRE irá ocorrer da substância de maior temperatura para a substância de menor temperatura. Fenômenos de Transporte 7 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução Alguns exemplos cotidianos: ▪ Uma colher de metal a temperatura ambiente irá aquecer quando submersa em uma xícara de café quente devido a condução de energia na colher. ▪ Em um dia de inverno, os cômodos de uma residência perdem calor para o meio externo. Essa perda se dá através da transferência de calor por meio de condução através das paredes da residência. Fenômenos de Transporte 8 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução ▪ A equação da densidade de fluxo é definida pela Lei de Fourier. 𝑞𝑥" = −𝑘 𝑑𝑇 𝑑𝑥 𝑞𝑥" : Densidade de fluxo térmico Τ 𝑊 𝑚2 𝑘: coeficiente de condutividade térmica Τ 𝑊 𝑚.𝐾 𝑇: temperatura [𝐾] ▪ A densidade de fluxo térmico representa a taxa de transferência de calor na direção 𝑥 por unidade de área perpendicular à direção da transferência de calor. Fenômenos de Transporte 9 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução ▪ Para o caso anterior, teremos que: 𝑞𝑥" = 𝑘 ∆𝑇 𝐿 𝑞𝑥" : Densidade de fluxo térmico Τ 𝑊 𝑚2 𝑘: coeficiente de condutividade térmica Τ 𝑊 𝑚.𝐾 ∆𝑇: Diferença de temperatura 𝑇1 − 𝑇2, 𝐾 𝐿: comprimento 𝑚 Fenômenos de Transporte 10 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução Fenômenos de Transporte 11 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução ▪ O parâmetro 𝑘 é uma propriedade de transporte conhecida como condutividade térmica e constitui uma característica do material da parede ▪ A condutividade térmica é uma propriedade do material que indica a capacidade do meio em conduzir calor e, geralmente, depende da temperatura. ▪ Observa-se que, em geral, os bons condutores elétricos são também bons condutores de calor. (Ex.: Cobre e alumínio) Fenômenos de Transporte 12 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução Condutividade térmica de alguns materiais a 300K Fenômenos de Transporte 13 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Condução ▪ O fluxo de calor por condução pode ser calculado multiplicando-se o vetor área da parede ( Ԧ𝐴) pela densidade de fluxo térmico: 𝑞𝑥 = 𝑞𝑥" ∙ A Adendo: ▪ Densidade de Fluxo: Vetorial (𝑞”) ▪ Fluxo: Escalar (𝑞) Fenômenos de Transporte 14 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. FENÔMENOS DE TRANSPORTE Convecção Fenômenos de Transporte 15 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção ▪ Convecção é um modo de transferência que abrange dois mecanismos: ▪ Difusão: Movimento molecular aleatório ▪ Advecção: Movimento global do fluido ▪ Movimento global do fluido: um grande número de moléculas está se movendo coletivamente ou como agregados. ▪ Esse movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. ▪ Dentro da engenharia estamos especialmente interessados na transferência de calor por convecção que ocorre com o contato entre um fluido e uma superfície que estão em temperaturas diferentes. Fenômenos de Transporte 16 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Fenômenos de Transporte 17 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Fenômenos de Transporte 18 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Fenômenos de Transporte 19 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Fenômenos de Transporte 20 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Fenômenos de Transporte 21 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Fenômenos de Transporte 22 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção ▪ A convecção pode ser classificada de duas maneiras em relação com a natureza do escoamento do fluido: ▪ Convecção natural: O escoamento é causado pelas forças de empuxo, que são originadas a partir das diferenças de massas específicas dos fluidos. É o caso da geladeira. 𝜌𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 < 𝜌𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑟𝑖𝑜 . ▪ Convecção forçada: O escoamento é causado por meios externos, tais como ventiladores, ventoinhas, bombas, etc. É o caso de radiadores, coolers de computadores, etc. Fenômenos de Transporte 23 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção ▪ Avaliamos quantitativamente a densidade fluxo de calor por convecção através da Lei de resfriamento de Newton: 𝑞" = ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞) 𝑞" : Densidade de fluxo de calor por convecção Τ 𝑊 𝑚2 ℎ: coeficiente de transferência de calor por convecção Τ 𝑊 𝑚2.𝐾 𝑇𝑠: Temperatura da superfície 𝐾 𝑇∞: Temperatura do fluido 𝐾 ▪ O coeficiente de transferência de calor por convecção (ℎ) depende de diversos fatores: natureza do escoamento, geometria da superfície, condições da camada-limite, entre outras propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido. Fenômenos de Transporte 24 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Processo h (W/m².K) Convecção natural Gases 2 – 25 Líquidos 50 – 1000 Convecção forçada Gases 25 – 250 Líquidos 100 – 20.000 Mudança de fase Ebulição ou condensação 2500 – 100.000 Fenômenos de Transporte 25 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Convecção Relembrando.. ▪ Calor sensível: relacionado com a mudança de temperatura de uma superfície ou fluido Ex.: Aquecer água, esfriar um café, etc. ▪ Calor latente: relacionado com a mudança de fase (ou estado) de uma superfície ou fluido. Ex.: Fundir aço (derreter), Ebulição do óleo de cozinha, etc. Fenômenos de Transporte 26 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. FENÔMENOS DE TRANSPORTE Radiação Fenômenos de Transporte 27 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação ▪ Definição: radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura diferente de zero. ▪ TODOS os elementos diferentes do zero absoluto (𝟎𝑲) emitem radiação, seja sólido, líquido ou gases. ▪ Essa emissão está relacionada com mudanças nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas que constituem a matéria. ▪ A energia do campo de radiação é transferido por ondas eletromagnéticas e se caracterizam por não precisarem de um meio para se propagarem (diferente das demais). ▪ Inclusive, a radiação ocorre melhor no vácuo. Ex.: radiação solar. ▪ A quantidade de energia dissipada pela radiação é definida pela lei de Stefan-Boltzman: 𝐸 = 𝜀 𝜎 𝑇𝑠4 𝐸: Poder emissivo Τ 𝑊 𝑚2 𝜀: Emissividade (adimensional, um valor entre 0 e 1) 𝜎: Constante de Stefan-Boltzman 𝜎 = 5,67 × 10−8 Τ 𝑊 𝑚2.𝐾4 𝑇𝑠4: Temperatura da superfície (𝐾) ▪ A emissividade (𝜀) é uma propriedade que depende do material e da sua superfície Fenômenos de Transporte 28 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação ▪ A densidade de fluxo de calor emitido pela superfície é definido pela equação abaixo: 𝑞𝑟𝑎𝑑 " = 𝜀𝜎(𝑇𝑠4 − 𝑇𝑣𝑖𝑧 4 ) 𝑞𝑟𝑎𝑑 " : Densidade de fluxo de calor por radiação Τ 𝑊 𝑚2 𝑇𝑠4: Temperatura da superfície (𝐾) 𝑇𝑣𝑖𝑧 4 : Temperatura da vizinhança (𝐾) Fenômenos de Transporte 29 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação ▪ Similarmente, um elemento pode absorver radiação. ▪ A radiação que incide sobre uma superfície (sol sob placas solares) é absorvida por ela (totalmente ou parcialmente). ▪ A essa condição damos o nome de irradiação, e definimos através da equação: 𝐺𝑎𝑏𝑠 = 𝛼 ∙ 𝐺 𝐺𝑎𝑏𝑠: Irradiação absorvida pela superfície Τ 𝑊 𝑚2 𝐺: Irradiação incidente Τ 𝑊 𝑚2 𝛼: absortividade (adimensional, um valor entre 0 e 1) Fenômenos de Transporte 30 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação Fenômenos de Transporte 31 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação 𝛼 = 1: Toda radiação é absorvida pela superfície. (Superfície opaca). 0 < 𝛼 < 1: A energia é parcialmente absorvida pela superfície. (Superfície semitransparente). 𝛼 = 0: A energia é refletida pela superfície. (Superfície transparente). ▪ O valor da absortividade (𝛼) depende da natureza da irradiação e da natureza da superfície. ▪ Por exemplo, o valor da absortividade (𝛼) varia para a radiação solar e a radiação da chama de uma fornalha. Fenômenos de Transporte 32 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação ▪ Dentro da engenharia, em geral, consideramos que líquidos são opacos (𝛼 = 1) e que gases são transparentes (𝛼 = 0). ▪ Sólidos em geral são opacos (metais: aço, ferro fundido, alumínio) ou semitransparentes (finas folhas de polímeros e materiais semicondutores). Fenômenos de Transporte 33 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação ▪ Uma forma mais comum e corriqueira de expressar a densidade de fluxo de calor é quando temos uma superfície muito maior que a outra, a qual denominamos vizinhança. (Ex.: parede e o ambiente) ▪ Dessa forma, a expressão abaixo leva em conta a diferença entre a radiação emitida e a radiação absorvida por essa superfície: 𝑞𝑟𝑎𝑑 " = ℎ𝑟(𝑇𝑠 − 𝑇𝑣𝑖𝑧) 𝑞𝑟𝑎𝑑 " : Densidade de fluxo de calor por radiação Τ 𝑊 𝑚2 ℎ𝑟: coeficiente de transferência de calor por radiação Τ 𝑊 𝑚2.𝐾 𝑇𝑠: Temperatura da superfície 𝐾 𝑇𝑣𝑖𝑧: Temperatura da vizinhança 𝐾 ▪ Assim, modela-se a radiação de uma maneira similar com a convecção. Fenômenos de Transporte 34 Prof. Patrick Habowski, MSc. Eng. Radiação