EP34D Fenômenos de Transporte

Transcrição

1 EP34D Fenômenos de Transporte Prof. Dr. André Damiani Rocha Introdução à Transferência de Calor

2 2 Introdução à Transferência de Calor O que é Transferência de Calor? Transferência de Calor é a energia térmica em trânsito devido a diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios diferentes, ocorre, necessariamente, transferência de calor.

3 3 Introdução à Transferência de Calor O que é Energia Térmica? Energia térmica é associada a translação, rotação, vibração das moléculas que compõe a matéria. Ela representa o efeito acumulativo das atividades microscópicas e é diretamente relacionada com a temperatura.

4 4 Introdução à Transferência de Calor Quantidade Significado Símbolo Unid. Energia Térmica Temperatura Transferência de Calor Calor Taxa de Calor Fluxo de Calor Energia associada ao comportamente microscópico da matéria Meio indiretamente de avaliar a quantidade de energia térmica armazenada na matéria Energia Térmica transportada devido ao gradiente de temperatura Quantidade de Energia Térmica transferida em um intervalo de tempo Energia Térmica transferida por intervalo de tempo Energia térmica transferida por unidade de área U ou u Não confunda ou troque os significados de Energia Térmica, Temperatura e Transferência de Calor. T Q q J ou J/kg K ou o C J W q W/m 2

5 5 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Condução de Calor Convecção de Calor Radiação de Calor

6 6 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Quando existe um gradiente de temperatura em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um líquido, usamos o termo Condução para nos referirmos à transferência de calor que irá ocorrer através do meio.

7 7 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Por outro lado, o termo Convecção refere-se a transferência de calor que irá ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento quando eles se encontram em temperaturas diferentes.

8 8 Introdução à Transferência de Calor Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor Um terceiro mecanismo de transferência de calor é conhecido como Radiação Térmica. Todas as superfícies a uma temperatura não nula emitem energia na forma de onda eletromagnéticas. Assim, na ausência de um meio que se interponha entre duas superfícies a diferentes temperaturas existe transferência de calor por radiação.

9 9 Condução Ao mencionar a palavra condução, devemos nos lembrar imediatamente dos conceitos de atividade atômica e molecular, uma vez que são processos físicos que ocorrem a esses níveis. A condução pode ser vista como a transferência de energia das partículas mais energéticas para as partículas de menor energia, em um meio, devido às iterações entre elas. Existem vários exemplos de transferência de calor por condução. A ponta de uma colher de metal, quando imersa em uma xícara de café quente, será aquecida devida a condução de energia através da colher.

10 10 Condução Para condução de calor, a equação da taxa de transferência de calor é conhecida como Lei de Fourier. q '' k T k condutividade térmica; T gradiente de temperatura Para a parede plana unidimensional, regime estacionário, condutividade térmica constante, a equação da taxa de transferência de calor é dada por: " dt T2 T1 T1 T k k k dx L L q x 2

11 11 Condução

12 12 Convecção O modo de transferência de calor por convecção é composto de dois mecanismos. Além da transferência de calor devido ao movimento do aleatório molecular (difusão), a energia também é transferida através do movimento global, ou macroscópico, do fluido. Esse movimento é associado ao fato de que, em qualquer instante, um grande número de moléculas está se movimentando coletivamente ou na forma de agregados de moléculas. Tal movimento, na presença de gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. Estamos especialmente interessados na transferência de calor por convecção, que ocorre entre um fluido em movimento e uma superfície quando os dois se encontram a diferentes temperaturas.

13 13 Convecção A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento. Referimo-nos a convecção forçada quando o escoamento é causada por meios externos tais como um ventilador, uma bomba ou ventos atmosféricos. Já a convecção livre ou convecção natural o escoamento é induzido por forças de empuxo, que são originadas por diferença de densidade causadas por variações de temperatura no fluido.

14 14 Convecção Para a convecção, a equação da taxa de transferência de calor conhecida pela Lei de Resfriamento de Newton. q " h T S T h coeficiente de transferência de calor; Ts temperatura da superfície; T - temperatura da corrente livre;

15 15 Convecção Valores típicos para coeficiente de transferência de calor por convecção Convecção livre Processo h (W/m 2 K) Gases 2-25 Líquidos Convecção Forçada Gases Líquidos Convecção com mudança de fase (Ebulição ou Condesação)

16 16 Radiação Radiação térmica é a energia emitida por toda matéria que se encontra a uma temperatura finita. Embora o enfoque esteja direcionado para a radiação emitida por superfícies sólidas, as emissões também podem ocorrer a partir de líquidos e gases. Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudanças nas configurações dos elétrons que constituem os átomos ou moléculas. Enquanto a transferência de calor por condução e convecção requer a presença de um meio material, a radiação não necessita dele. Na realidade, a transferência por radiação ocorre de forma mais eficiente no vácuo.

17 17 Radiação A taxa líquida de transferência de calor por radiação a partir de uma superfície, expressa por unidade de área da superfície, é dada por: q " rad q A ( T 4 S T 4 viz Energia perdida devido a emissão: Poder Emissivo E E B T s E Poder Emissivo (W/m 2 ) Eb 4 emissividade Poder emissivo do corpo negro ) constante de Stefan Boltzman ,67x10 W / m K Energia absorvida devido a irradiação G Irradiação (W/m 2 ) G abs G G Radiação incidente absorvida (W/m 2 ) abs absorvidade

18 18 Exemplo 1 Uma taxa de calor de 3kW é conduzida através de uma parede isolante de área igual a 10m 2 e espessura de 2,5cm. Se a temperatura interna da parede é de 415 o C e a condutividade do material é de 0,2W/mK, qual a temperatura externa da parede? Resposta: T e = 377,5 o C

19 19 Exemplo 2 Você experimenta o resfriamento por convecção toda vez que coloca a mão para fora da janela de um veículo em movimento. Com a superfície de sua mão a uma temperatura de 30 o C, determine o fluxo de calor por convecção para uma condição onde o veículo se desloca a 35km/h no ar a -5 o C com coeficiente de convecção igual a 40W/m 2 K. Resposta: q = 1800W/m 2

20 20 Exemplo 3 Uma superfície de área 0,5m 2, emissividade de 80% e temperatura de 150 o C é colocada em uma câmara grande e vazia cujas paredes são mantidas a 25 o C. Qual a taxa na qual a radiação é emitida pela superfície? Qual a taxa líquida de transferência de calor por radiação entre a superfície e as paredes da câmara? Resposta: q emitida = 727,1W; q = 548W

21 21 Referências SHAPIRO, H.N.; MORAN, M.J.; MUNSON, B.R.; DEWITT, D.P. Introdução à engenharia de sistemas térmicos: termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. Rio de Janeiro, RJ: LTC, p. INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P.; BERGMAN, T.L.; LAVINE, A. Fundamentos de transferência de calor e