Transferência de Calor: Lei de Fourier e Ciclo de Carnot

1 Os processo de transferência de calor podem ser quantificados de acordo com equações de taxa apropriadas A condução térmica é determinada através da Lei de Fourier Esta lei determina que a taxa de transferência de calor Q através de um material é proporcional ao gradiente negativo de temperatura e à área através da qual o calor flui perpendicularmente a esse gradiente A constante de proporcionalidade obtida nesta relação é chamada de condutividade térmica k do material Materiais que transferem energia facilmente por condução são bons condutores de calor e possuem altos valores de condutividade térmica Baseado nos princípios básicos da Lei de Fourier e utilizando o sistema internacional de medidas Uma parede de vidro condutividade térmica 096 W mK cujo gradiente de temperatura é determinado pela temperatura interna 14 ºC e pela temperatura externa 13 ºC tem dimensões de parede iguais a 15 metros de comprimento por 1 metro de altura Admitindo uma espessura de parede igual a 30 milímetros pede Qual o fluxo de calor e o calor total transferido durante o processo do problema apresentado 2 O ciclo de Carnot proposto pelo físico e engenheiro militar Nicolar Léonard Sadi Carnot no ano de 1824 surgiu com o objetivo de criar um ciclo ideal no qual seria possível obter um melhor rendimento das máquinas térmicas sem levar em consideração as dificuldades térmicas Assim qualquer máquina que operasse com esse tipo de ciclo teria um rendimento máximo independente da substância utilizada e operaria de forma totalmente reversível Considerando essas informações podese dizer que uma máquina hipotética operando segundo um ciclo de Carnot apresenta 3 Um motor de um carro com potência de 100 hp 74570 W tem uma eficiência térmica de 22 Qual a taxa aproximada de consumo do combustível desse carro se o poder calorífico do combustível for 45978 kJkg ou seja 45978 kJ de energia é liberada para cada kg de combustível queimado 4 Um refrigerador se encontra em uma sala onde a temperatura externa é de 30 C No compartimento de alimentos a temperatura é mantido a 12 C O calor retirado do compartimento de alimentos é estimado em 3300 kJh e a rejeição de calor no condensador é de 4800 kJh conforme apresentado na figura Os refrigeradores são classificados através do seu coeficiente de desempenho ou coeficiente de eficiência energética de acordo com a tabela Com base nos dados acima concluise que o refrigerador de acordo com sua eficiência pertence à 5 Um trocador de calor bitubular com configuração cocorrente é utilizado para resfriar o óleo lubrificante em um sistema industrial com coeficiente global de transferência de calor correspondente a 42 Wm² K O óleo e a água entram a temperaturas de 100 e 30 C e saem com as temperaturas de 68C e 44C respectivamente Qual deve ser área de troca térmica do permutador visto que a taxa de calor deve ser 352 KJs 6 Um dispositivo importante com muitas aplicações na engenharia e o trocador de calor Os trocadores de calor são usados para transferir energia de um corpo mais quente para um mais frio ou para a vizinhança por meio de transferência de calor Uma usina de potência a vapor simples opera com 20 kgs de vapor como mostrado na figura a seguir Ignorando as perdas nos diversos componentes e com base nas tabelas de vapor saturado e vapor superaquecido disponibilizadas selecione a alternativa correspondente a taxa de transferência de calor da caldeira Figura Usina de Potência a vapor 7 Um conceito amplamente estudado na engenharia mecânica é Energia especialmente quando falamos de trabalho e calor Trabalho pode ser descrito pela aplicação de uma força em um determinado deslocamento Na termodinâmica o conceito de trabalho precisa ser ampliado para trabalhar com termos de pressão e volume Dessa forma o trabalho pode ser expresso utilizando propriedades do sistema como volume e pressão Calor é a troca de energia oriunda da diferença de temperatura entre dois sistemas ou entre um sistema e a sua vizinhança Assim como trabalho podemos expressar calor utilizando propriedades de estado do sistema Considere um gás contido em um sistema cilindropistão como representado na figura A figura indica que esse sistema passa por um processo de expansão onde o pistão é deslocado da posição x1 até a posição x2 Analise as afirmações abaixo e assinale a alternativa que apresenta afirmações verdadeiras I O máximo de trabalho produzido por esse sistema somente irá ocorrer quando o processo de expansão for reversível Para tanto a expansão deve ocorrer contra o vácuo pois não há resistência ao movimento do pistão II Durante o processo de expansão ocorre a transformação da energia armazenada previamente na forma de calor em trabalho de expansão Assim a variação da energia interna é nula III Por não se tratar de uma propriedade a quantidade de trabalho produzida será dependente do comportamento de como varia a pressão do sistema em decorrência da variação de seu volume IV O processo de expansão representado na figura pode ser interpretado como a transformação da energia interna do gás em trabalho Nesse caso representamos o trabalho como um valor negativo pois a energia interna no estado 2 posição x2 será menor que a inicial V Trabalho e calor são resultados da troca de energia entre o sistema e a vizinhança dessa forma apenas consideramos a troca de energia na forma de calor ou trabalho quando ela ocorre cruzando a fronteira do sistema ou volume de controle São corretas as afirmações 8 Para descrever o funcionamento de uma máquina térmica as transformações de um gás foram representadas em um diagrama da pressão em função do volume No ciclo abaixo observamos que existem transformações a volume constante e a pressão constante Considerando o texto apresentado avalie as afirmações a seguir A temperatura do gás é maior no ponto A que no ponto C O gás recebe calor nas transformações AB e BC Neste ciclo o trabalho foi realizado pelo gás e vale p o V o É correto o que se afirma em 9 Um tanque fechado de volume constante de contém uma massa de ar na temperatura inicial de e pressão absoluta de O ar recebe uma quantidade de calor até sua temperatura atingir Calcular a massa de ar que se encontra dentro do tanque e a quantidade de calor necessária para o aquecimento a volume constante Dados 10 AdaptadoJUNIOR2010 Uma chapa isolante de 15 cm de espessura e cuja condutividade térmica é igual a 0015 Wm C é colocada sobre a parede externa de um forno industrial Admitese que a temperatura da parede interna do forno é 625 C e que a temperatura na superfície livre da chapa é 25 C Supondose que a taxa de transferência de calor desse processo seja igual a 300 Wm 2 e que a espessura da parede seja de 5 cm a condutividade térmica da parede em Wm C vale 11 Na análise de transferência de calor muitas vezes estamos interessados na taxa de transferência de calor através de um meio em condições estáveis de temperaturas superficiais Tais problemas podem ser resolvidos facilmente sem envolver equações diferenciais pela introdução do conceito de resistência térmica de forma análoga aos problemas de circuitos elétricos Neste caso a resistência térmica corresponde à resistência elétrica a diferença de temperatura corresponde à tensão e a taxa de transferência de calor corresponde à corrente elétrica ÇENGEL YA GHAJAR AJ Transferência de Calor e Massa Uma abordagem prática 4ª ed Porto Alegre Mc Grall hill 2012 Considere uma parede plana consistindo de duas camadas A e B com os seguintes parâmetros respectivos k A 08 W mK L A 8cm k B 02 W mK L B 5cm Se a queda de temperatura ao longo da parede é de 18C assinale a alternativa que contém o valor correto para a taxa de transferência de calor por unidade de área nesta parede 12 Considere uma parede plana com 120 mm de espessura e condutividade térmica igual a 120 W mK Sabese que há condições de regime estacionário quando T1 500 K e T2 700 K Determine o fluxo térmico e o gradiente de temperatura dT dx para os sistemas de coordenadas mostrados