Introdução aos Processos de Troca de Calor

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1 Introdução aos Processos de Troca de Calor Termodinâmica x : Termodinâmica voltada para os processos térmicos e principalmente para o balanço energético e a possibilidade de conversão entre calor e Trabalho. : estuda a energia em trânsito devido a diferença de temperaturas

2 Calor e sua História Grécia antiga: Heraclitus o filósofo do fluxo e fogo e os três elementos Joseph Blake introduziu o conceito de Calor Latente. Thomas Newcommen e James Watt, identificaram uma série de maneiras de transformar trabalho em calor. 1797, Benjamin Thompson demonstrou ser possível também converter trabalho em calor (fricção)

3 Teorias sobre a Teoria do Phlogiston(1767): o calor estava associado a um material chamado phlogiston -a substância do calor, que era liberado durante o processo de queima. Teoria do Calórico(1770): o calor era uma substância que fluia entre os corpos. Primeira Lei da Termodinâmica(1850): comtemplava o calor com uma forma de energia e possibilitava a conversão entre trabalho e calor.

4 Conceito de Temperatura Temperatura e energia cinética das moléculas Temperatura é associada ao nível energético da molécula Movimento térmico de um segmento de proteína alpha-helix. As moéculas tem varios graus de liberdade para se movimentarem tanto na forma vibracional como rotacional.. (Fonte: Heat-Wikipedia, 2007)

5 Mecanismos Físicos da Condução Térmica Convecção Térmica Radiação Térmica

6 Condução de Calor Processo de transferência através da rede de ligações moleculares Os tipos de ligações moleculares influem muito no processo de condução

7 Lei Geral da Condução Cosiderando a taxa de transferência de calor por condução através de uma barra pode-se dizer que ele: q A T L é diretamente proporcional á diferença de Temperaturas é diretamente proporcional á Área A é inversamente proporcional á distância L

8 Lei de Fourier A Lei Geral da Condução é também conhecida como Lei de Fourier e é definida a partir da proporcionalidade estabelecida anteriormente: q= k A T x k A T k é a condutividade térmica do material e o sinal negativo representa que o fluxo ocorre sempre no sentido oposto do gradiente de temperaturas. L

9 Taxa de Transferêcia de Calor e Fluxo de calor Taxa de transferência de calor: é a Transferência de energia total através de um determinado corpo e representado pela letra q Fluxo de calor: é a Transferência de energia por unidade de área através de um determinado corpo e representado pela letra q Assim: q ' '= q A

10 Convecção Térmica A Convecção Térmica é um fenômeno que associa o processo de transferência de calor da condução térmica com o movimento de massa. Por conta disto, este fenômeno ocorre EXCLUSIVAMENTE em fluidos (líquidos e gases).

11 Formas da Convecção A convecção térmica é normalmende subdividida em dois grandes grupos de acordo com a força motriz do escoamento: Convecção Forçada ou Advecção Convecção Natural ou Convecção Livre A combinação destas duas formas dá origem ainda a um terceiro tipo: Convecção Mista

12 Características Convecção Forçada O movimento do fluido ocorre alimentado por uma fonte externa que independe do processo de transferência de calor. Exemplos típicos são ventilação forçada e sistemas com bombeamento de fluidos.

13 Convecção Natural neste caso a movimentação do fluido é provocada pela própria variação de densidade durante o processo de troca de calor. Exemplos clássicos são a brisa marítima e a formação da pluma em torno de um cilindro aquecido.

14 Convecção Mista quando para o processo de troca de calor tanto o escoamento natural como o forçado são importantes. Exemplo: a pluma do caso anterior com um escoamento transversal

15 Convecção com Mudança de Fase É um caso típico onde o processo pode ocorrer tanto através de uma movimentação natural como forçada do fluido, mas deve ocorrer uma transformação de fase líquido-gás durante o processo. São exemplos típicos os casos de condensadores, evaporadores, caldeiras, etc.

16 Lei Geral da Convecção A lei geral da convecção é também é uma expressão empírica conhecida como Lei de Resfriamento de Newton: q=h A T s T onde h é a constante de proporcionalidade conhecida como coeficiente de película ou coeficiente de transferência de calor por convecção.

17 Variação do h com o mecanismo da convecção e o tipo de fluido

18 Radiação Térmica A radiação térmica apresenta características peculiares sendo o processo de transferência de calor seja caracterizado por: o processo é de natureza eletromagnética e portanto independe da presença de meio material para o transporte de energia; todos os corpos a temperatura maior que 0K emitem calor por radiação; troca líquida de calor somente ocorre se os corpos estiverem a diferentes temperaturas.

19 Princípios Básicos da Radiação A quantidade de radiação de um corpo qualquer pode ser calculada pela integral da distribuição de Planck: E n = T 4 =5, W /m 2 K 4 Constante de Stefan-Boltzman Caso se trate de um corpo real, sua e- missão é uma parcela do valor do corpo negro, assim a sua emissão é dada por: E= E n = T 4 Emissividade entre 0 e 1

20 Troca de Calor por Radiação com um ambiente Considerando G a radiação total presente no ambiente tem-se: q,, rad =E G= E n G Assim: q,, rad = T 4 T 4 viz sendo a absortividade do material e, para corpos cinzas: q,, rad ou = = T 4 T 4 viz

21 Coeficiente de Troca de Calor por Radiação A equação anterior para a troca de calor entre um corpo real e um ambiente pode ser reescrita: q,, rad = T 4 T 4 = T 2 T 2 T 2 T viz viz viz ou ainda: q,, rad = T 2 T 2 T T T T viz viz viz Assim, definindo: h = T 2 T 2 T T rad viz viz A expressão geral fica: q,, rad 2 =h rad T T viz

22 Lei da Conservação da Energia Tomando por base um Volume de Controle com troca de Energia, tem-se: Armazenada Entrando Saindo Gerada Ė A = Ė e Ė s Ė G

23 Termo Transiente: Balanços Aplicados Ė A = E t = t W expansão U P V = H t = V c p T t Entrada e Saída de Energia: {Ė e=q e Ė s =q s Energia Gerada: Ė G = q V Ė A =Ė e Ė s Ė G V c p T t =q e q s q V

24 Balanço Energético na Superfície Tomando por base um Superfície de Controle com troca de Energia, tem-se: q e =q s Entrando Saindo Ė e = Ė s

25 Procedimento de Solução de Problemas 1. Levantamento dos dados e questionamentos 2. Fazer um esquema realístico 3. Hipóteses necessárias 4. Utilizar equações físicas adequadas 5. Obter propriedades físicas 6. Realizar os cálculos necessários 7. Considerações finais Fácil Difícil

26 Bibliografia Incropera e Dewitt (2002) Wikipedia verbetes heat, conduction

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