CAPITULO 1 INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS TÉRMICAS 1.1 CIÊNCIAS TÉRMICAS

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1 CAPITULO 1 INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS TÉRMICAS 1.1 CIÊNCIAS TÉRMICAS Este curso se restringirá às discussões dos princípios básicos das ciências térmicas, que são normalmente constituídas pela termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. Podemos definir essas três ciências mais especificamente como: Termodinâmica. A ciência que se preocupa com o estudo das transformações da energia e o relacionamento entre as várias grandezas físicas de uma substância afetadas por aquelas transformações energéticas. Mecânica dos fluidos. A ciência que lida com o transporte de energia e a resistência ao movimento associada com o escoamento dos fluidos. Transferência de calor. A ciência que descreve a transferência de uma determinada forma de energia como decorrência de uma diferença de temperaturas. 1.2 PRINCÍPIOS BÁSICO Antes de continuar com o estudo das ciências térmicas, será apresentado um breve resumo dos princípios básicos associados com cada uma das ciências térmicas TERMODINÂMICA A ciência da termodinâmica envolve o estudo da energia associada com uma certa quantidade de matéria ou com um volume bem definido do espaço. A quantidade fixa de matéria é chamada de sistema termodinâmico, enquanto que o volume bem definido do espaço é chamado de volume de controle. Inicialmente vamos dirigir nossa atenção apenas para o sistema termodinâmico. O estudo da energia de um sistema termodinâmico é realmente bastante elementar em princípio. Energia pode entrar ou deixar o sistema e ser transferida em apenas duas formas: calor ou trabalho. Se a transferência de energia for devido à diferença de temperaturas entre o sistema e a vizinhança, então a transferência de energia se dará como calor, caso contrário será transferida como trabalho. Trabalho é a forma de energia transferida através da fronteira de um sistema devido a algum potencial diferente de temperatura, e se apresenta em muitas formas. A primeira lei da termodinâmica é um enunciado da conservação de energia. Intuitivamente você poderia esperar que a soma algébrica de todas as formas de energia que cruzam a fronteira do sistema fosse igual à variação líquida da energia armazenada internamente pelo sistema. Desde que calor e trabalho são apenas as duas formas de energia que cruzam a fronteira do sistema, a soma algébrica do calor com o trabalho deve ser igual à variação líquida da energia armazenada ou possuída pelo sistema. A energia possuída pelo sistema pode ser energia cinética, energia potencial e energia interna. Para avaliar a energia armazenada pelo sistema, devemos conhecer alguma coisa sobre o comportamento do material ou substância e as relações entre certas propriedades da

2 substância. Algumas vezes essas propriedades são apresentadas na forma de equações algébricas e algumas vezes na forma de tabelas. Algumas das mudanças das propriedades de uma substância evoluem em apenas uma direção. Essa direção natural é dada pela segunda lei da termodinâmica. A segunda lei é também útil, porque fornece um meio de se medir o desvio de um processo real para o caso ideal. Essa medida nos permite comparar os processos reais, e é útil ao prestar auxílio para selecionar o processo mais eficiente. Os conceitos desenvolvidos para o sistema termodinâmico são estendidos para um volume de controle quando existe fluxo de massa nas fronteiras MECÂNICA DOS FLUIDOS Uma vez que a fonte de energia foi identificada, o emprego útil desta energia normalmente necessita que ela seja transportada de uma posição espacial para outra. Por exemplo, um sistema de aquecimento de água ou ar produz uma fonte de energia térmica pela combustão de óleo ou gás num certo local de um edifício, por exemplo. Para fornecer calor para o resto do edifício, a energia deve ser transportada daquela localização para diversas partes do edifício. O estudo do movimento do fluido é chamado de mecânica dos fluidos. Um fluido é definido como uma substância que se deforma continuamente quando submetido a uma tensão de cisalhamento, isto é, ele escoa. Fluidos existem como líquido (água, gasolina, petróleo), como gás (ar, hidrogênio, gás natural) ou como uma combinação de líquido e gás (vapor úmido). Enquanto um fluido fornece um meio para o transporte de energia, este mesmo processo de transporte por conjunto moto-bomba requer um gasto de energia. É muito importante que o engenheiro compreenda a origem dessas forças que se opõem ao movimento do fluido e como estimar seus valores e direções para: O projeto das superfícies por onde o fluido vai escoar, e minimizar a quantidade de energia requerida para transportar o fluido entre duas localizações. Para alcançar esse objetivo, será utilizado o conceito de volume de controle, com uma superfície claramente definida no espaço através da qual o fluido cruza, ao invés do conceito de um sistema com uma quantidade fixa de matéria. O caso especial quando a velocidade do fluido é nula, também é relevante. Tais casos são objetos de estudo da estática dos fluidos CLASSIFICAÇÃO DA MECÂNICA DOS FLUIDOS Uma classificação da ciência da mecânica dos fluidos pode ser feita como uma função da dependência do escoamento com: Tempo : Escoamento em regime permanente e transiente; Velocidade : Ligado ao número de Reynolds, junto com a viscosidade determinam de o escoamento é Laminar ou Turbulento Viscosidade do fluido: Determina se o fluido é Newtoniano ou não-newtoniano Densidade: Incompressivel ou Compressivel TRANSFERÊNCIA DE CALOR Faz parte da nossa experiência cotidiana que quando duas substâncias à temperaturas diferentes são colocadas em contato, a temperatura da substância mais quente vai diminuir e a 2

3 temperatura da substância mais fria vai aumentar (n. t. - isto se não houver mudança de fase). Quando a transferência de energia é o resultado de apenas uma diferença de temperaturas, sem a presença de trabalho, então esta transferência de energia recebe o nome de transferência de calor. A ciência da transferência de calor identifica os fatores que influenciam a taxa de transferência de energia entre sólidos e fluidos ou em suas combinações. Há três categorias gerais usadas para classificar o modo pelo qual calor é transmitido. Eles são a condução, convecção e radiação CONDUÇÃO Transferência de calor por condução é a transferência de energia através de uma substância, um sólido ou fluido, como o resultado da presença de um gradiente de temperatura dentro da substância. Esse processo também recebe o nome de difusão de calor ou de energia. A relação básica usada para calcular a condução ou difusão de calor em uma substância é alei de Fourier. A taxa de transferência de calor por unidade de área é chamado de fluxo de calor e é uma quantidade vetorial, q &. Se T(x,y,z,t) representa ao campo de temperaturas a lei de Fourier estabelece que: onde &q i q& x + jq& y + kq& z (1.1) q & x α, q& y α, e q& α x y z (1.2) z Cada um dos componentes do fluxo de calor pode ser dependente do tempo. Estas expressões podem ser transformadas em igualdades pela introdução da condutibilidade térmica da substância, k. Para um material isotrópico, k x = k y = k z, então, as expressões ficam q & x = - κ, q& y = - κ, e q& x y z = - κ z (1.3) A convenção de sinal usada para essas expressões assume que o fluxo de calor é positivo se ele ocorrer na direção do eixo coordenado. Uma vez que calor ou energia flui na direção da diminuição de temperatura, gradiente negativo de temperatura, um sinal negativo é requerido para ser consistente com a convenção de sinal. A condutibilidade térmica é a propriedade termofísica da substância CONVECÇÃO Transferência de calor por convecção é a transferência de energia entre um fluido e uma superfície sólida. Dois fenômenos diferentes estão presentes: O primeiro fenômeno é a difusão ou condução de energia através do fluido devido à presença de um gradiente de temperatura dentro do fluido O segundo fenômeno é a transferência de energia dentro do fluido devido ao movimento do fluido de um posição para outra. 3

4 Em transferência de calor por convecção, a diferença de temperaturas que causa o fluxo de energia é aquela entre a temperatura da superfície e a do fluido. Os escoamentos onde estão presentes a transferência de calor por convecção podem ser Externos (Escoamentos livres, escoamento sobre superfícies, obstáculos, etc) ou internos ( escoamento em forma confinada, como em um tubo). O valor da taxa de transferência de energia por convecção que ocorre na direção perpendicular à interface fluido-sólido, Q & é obtida pela relação conhecida como lei de resfriamento de Newton. Q = ha T (1.4) onde A é a área superficial do corpo que está em contato com o fluido, T é a diferença apropriada de temperaturas e h é o coeficiente de transferência de calor por convecção. O fluxo de calor está relacionado com a taxa de transferência de calor por q & = Q & A. Uma das tarefas mais importantes do engenheiro que lida com transferência de calor é predizer com precisão o valor do coeficiente de transferência de calor por convecção de calor. Alguns dos fatores que devem ser levados em consideração para alcançar esse objetivo são: Propriedades termofísicas do fluido. A densidade, condutibilidade térmica, viscosidade dinâmica, calor específico e calor latente são as propriedades do fluido mais importantes usadas nas correlações para o cálculo do coeficiente de transferência de calor. Método de movimentação do fluido. convecção forçada e convecção livre ou natural e convecção mista Características do escoamento. O escoamento é laminar ou turbulento RADIAÇÃO A transferência de energia por ondas eletromagnéticas é chamada de transferência de calor por radiação. Qualquer meio material a uma temperatura superior ao zero absoluto vai irradiar energia. Energia pode ser transferida por radiação térmica entre um gás e uma superfície sólida ou entre duas ou mais superfícies. A transferência de calor de um forno para uma pessoa distante um metro é um exemplo de transferência de calor de superfície para superfície. A transferência de calor pelas chamas do fogo de uma fogueira para alguma parede ilustra uma troca de calor por radiação do tipo gás para superfície. 4

5 1.3. UNIDADES PARA MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA Serão considerados 2 sistemas de Unidades: SI - Sistema internacional; Sistema Inglês. SI S. Internacional S. Inglês MASSA kg (quilograma) lb. ou lbm (libra massa) COMPRIMENTO m (metro) ft (foot = pé) TEMPO s (segundo) s (segundo) UNIDADE DE FORÇA(derivada) N (Newton) lbf (libra força) Tabela Sistema Internacional e Inglês DEFINIÇÕES E CONVERSÕES. Comprimento : 1 ft = 12 in (polegadas) Massa : 1 lbm = 0, kg Força : F= ma = 12 x 0,0254 m = 0,3048 m 1N= 1 (kg) x 1 (m/s 2 ) l lbf = 1 (lbm) x 32,174 (ft/s 2 ) 1 lbf = 4, N Quantidade Unidade Símbolo Massa kilograma kg Comprimento metro m Tempo segundo s Força newton (=1 kg.m/s 2 ) N Tabela 1.1. SI Unidades para Massa, Comprimento, Tempo e Força Fator Prefixo Símbolo Fator Prefixo Símbolo tera T 10-2 centi c 10 9 giga G 10-3 mili m 10 6 mega M 10-6 micro µ 10 3 kilo k 10-9 nano n 10 2 hecto h pico p Tabela 1.3. SI Unidades - Prefixos 5

6 Quantidade Unidade Símbolo Massa libra massa lb Comprimento pé ft Tempo segundo s Força libra força lbf (= lb.ft/s 2 ) Tabela 1.4. Unidades Inglesas para Massa, Comprimento, Tempo e Força 1.4 ALGUMAS APLICAÇÕES DAS CIÊNCIAS TÉRMICAS NA figura se apresentam algumas aplicações das ciências térmicas. 6