Termodinâmica 6. Alexandre Diehl. Departamento de Física - UFPel

Transcrição

1 Termodinâmica 6 Alexandre Diehl Departamento de Física - UFPel

2 Transferência de calor Definição Processo gerado num sistema termodinâmico, como resultado de uma diferença de temperatura entre duas porções do sistema. Mecanismos (ou processos) de transferência de calor Condução Convecção Radiação TERMO 2

3 Transferência de calor Mecanismos (ou processos) de transferência de calor Condução Exige um meio material para a transferência de energia térmica. Não existe movimento do meio durante a condução. Os mecanismos responsáveis pela transferência estão ligados às vibrações da rede cristalina e dos elétrons de condução nos metais. Elétrons livres Rede cristalina TERMO 3

4 Transferência de calor Mecanismos (ou processos) de transferência de calor Condução Exige um meio material para a transferência de energia térmica. Não existe movimento do meio durante a condução. Os mecanismos responsáveis pela transferência estão ligados às vibrações da rede cristalina e dos elétrons de condução nos metais. TERMO 4

5 Transferência de calor Mecanismos (ou processos) de transferência de calor Convecção É o principal mecanismo de transferência de energia térmica nos fluidos. É produzida pelo movimento das moléculas do fluido, através das chamadas correntes de convecção. Fluido libera calor, tornando-se mais denso Fluido aquecido torna-se menos denso TERMO 5

6 Transferência de calor Mecanismos (ou processos) de transferência de calor Convecção É o principal mecanismo de transferência de energia térmica nos fluidos. É produzida pelo movimento das moléculas do fluido, através das chamadas correntes de convecção. Formulação de Newton para a convecção (empírica): Coeficiente de convecção: Depende das propriedades do fluido. Depende das paredes em contato com o fluido. TERMO 6

7 Transferência de calor Mecanismos (ou processos) de transferência de calor Radiação Não necessita de meio material para a transferência da energia térmica. É produzida pela transferência de energia na forma de radiação eletromagnética. TERMO 7

8 Jean Baptiste Joseph Fourier ( ) 1822: Lei de Fourier para a condução de calor Calor flui da região de temperatura mais alta para a região de temperatura mais baixa, sendo proporcional à diferença de temperatura entre as duas regiões. A quantidade de calor que flui é inversamente proporcional à espessura do condutor. A quantidade de calor que flui é proporcional à área A de seção transversal do condutor. A quantidade de calor que flui é proporcional ao intervalo de tempo considerado na condução. TERMO 8

9 Jean Baptiste Joseph Fourier ( ) 1822: Lei de Fourier para a condução de calor Gradiente de temperatura Constante de condutividade térmica do material condutor Unidades de kcal/s.m. o C Btu.in/h.ft 2. o F 1 Btu = 778 ft.lb = 252 cal = J TERMO 9 1 lb = N

10 Características da constante de condutividade térmica A presença de impurezas reduz a condutividade. A liquefação reduz o valor da condutividade. A condutividade em fluidos aumenta com a temperatura. A condutividade em metais (cobre, prata, ouro) é aproximadamente constante entre 100 e 1000 K. TERMO 10

11 Características da constante de condutividade térmica A condutividade em metais (cobre, prata, ouro) é aproximadamente constante entre 100 e 1000 K. A condutividade em metais aumenta com a redução da temperatura, até um valor máximo, voltando a ser reduzida com o decréscimo da temperatura. TERMO 11

12 Lei de Wiedemann-Franz para metais A condutividade térmica de um metal é proporcional à sua condutividade elétrica, ou seja, um bom condutor de calor também é bom condutor de eletricidade (1853). Lei de Lorentz (1872) TERMO 12

13 Regime estacionário ou permanente (steady state) A temperatura ao longo do comprimento do condutor depende apenas da posição, ou seja, não é mais função do tempo. A corrente térmica não depende mais da posição ao longo do comprimento do condutor. Comprimento do condutor TERMO 13

14 Regime estacionário ou permanente (steady state) Resistência térmica ou valor R Definido em termos da resistência à condução do calor, como no projeto de refrigeração ou aquecimento de uma casa, oferecido pelo condutor. Depende apenas da espessura L do condutor. TERMO 14

15 Regime estacionário ou permanente (steady state) A corrente térmica é a mesma ao longo dos dois condutores. Temperatura da interface TERMO 15

16 Regime estacionário ou permanente (steady state) A corrente térmica é a mesma ao longo dos dois condutores. Eliminando a temperatura da interface: Como TERMO 16

17 Regime estacionário ou permanente (steady state) A diferença de temperatura é a mesma para os dois condutores. O que difere um condutor do outro é sua resistência térmica. A corrente térmica total é a soma das correntes em cada condutor. Como TERMO 17

18 Regime estacionário ou permanente (steady state) A diferença de temperatura é a mesma para os dois condutores. O que difere um condutor do outro é sua resistência térmica. A corrente térmica total é a soma das correntes em cada condutor. ou TERMO 18