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1 defi departamento de física aboratórios de Física Condutividade térmica Instituto Superior de Engenharia do Porto- Departamento de Física Rua Dr. António Bernardino de Almeida, Porto F

2 Condutividade érmica Caracterização de diferentes parâmetros associados à transmissão de calor de um material Determinação do coeficiente global de transferência de calor e do coeficiente de condutividade térmica do material Introdução eórica A transmissão de calor não é mais do ue a transmissão de energia de uma região para outra, como resultado de uma diferença de temperaturas entre elas. A transmissão de calor pode efectuar-se de três formas distintas: - ransmissão por CONDUÇÃO: passagem de calor de uma região para outra de um mesmo corpo, ou de um corpo para outro uando estes se encontram em contacto. - ransmissão por RADIAÇÃO: emissão de energia da superfície de um corpo sob a forma de ondas electromagnéticas. - ransmissão por CONVECÇÃO: passagem de calor de uma zona para outra de um fluído em conseuência do movimento relativo das partículas do mesmo. (a (b (c Figura 1: ransmissão por: (a condução, (b convecção e (c por radiação Departamento de Física Página 2/8

3 Quando se coloca uma superfície plana, por exemplo uma parede, em contacto com um fluído a diferentes temperaturas (por exemplo ar o fluxo de energia térmica ou calor transmitido por unidade de tempo, é dado pela lei de Newton para o arrefecimento: s A = ha( S A ( E. 1 W onde h é o coeficiente de transferência de calor por convecção ( em unidades SI, A 2 m. K é a área da superfície da parede, S a temperatura da superfície da parede em contacto com o fluído e A a temperatura do fluído num ponto afastado da parede. Por outro lado, o gradiente de temperatura ao longo de uma substância homogénea ocasiona um fluxo de energia por condução no interior da mesma. No caso concreto de uma parede plana cuja superfície externa e interna é constituida pelo mesmo material (condutividade térmica constante, o fluxo de transferência de calor por condução é dado por: k SI = k A ( SI SE SE ( E. 2 W em unidades SI, a m. K a diferença de temperatura entre a superfície mais onde k é o coeficiente de condutividade térmica do material ( espessura da parede e ( SI SE >. uente e a mais fria ( SI SE Departamento de Física Página 3/8

4 O coeficiente de condutividade térmica k depende da natureza do material sendo elevado para bons condutores, como os metais, e baixo para isolantes térmicos. Pode-se definir, para cada mecanismo de transmissão de calor, uma resistência térmica, sendo a resistência à transferência de calor por condução dada por: R k = ka ( E. 3 e a resistência à transferência de calor por convecção dada por: 1 R h = ha ( E. 4 Assim tem-se ue o fluxo de energia térmica através de uma parede se realiza mediante a combinação de mecanismos de condução e convecção. AI K AE SI SE SE -empª na superficíe externa do material SI -empª na superficíe interna do material AI - empª no interior da casa térmica AE -empª ambiente Desta forma, sendo hi e he os coeficientes de transmissão de calor por convecção (interna e externa, respectivamente, k o coeficiente de condutividade térmica do material, SI e SE as temperaturas nas superfícies interna e externa da parede e AI e AE a temperatura interna e externa de um ponto afastado dessas superfícies, então são válidas as seguintes expressões: - Convecção na superfície interna da parede: - Condução através da parede: - Convecção na superfície externa da parede: ci = ce = h A i k ( AI SI A ( SI SE = h A( AE e SE ( E. 5 ( E. 6 ( E. 7 Departamento de Física Página 4/8

5 Através da combinação destas euações pode-se obter o fluxo de calor transferido por unidade de tempo através de uma parede ue é dado por: = UA ( AI AE ( E. 8 onde U é o coeficiente global de transferência de calor. O coeficiente global de transferência de calor pode ser relacionado com a resistência térmica euivalente do sistema ( R e com a área A da superfície da parede, pelas seguintes expressões: e 1 = R U e 1. A = h i k h e ( E. 9 R e 1 = Rc, i + Rk + Rc, e = + + h A ka i 1 h A e ( E. 10 sendo, neste caso R e a soma das resistências térmicas ue se encontram em série. A casa térmica da experiência possui paredes laterais distintas, permitindo estudar as propriedades térmicas de diferentes materiais. Material Necessário 1 Casa érmica; 1 Cronómetro; 2 ermómetros digitais; 4 termopares sem revestimento; 1 ermostato; Fita adesiva. Departamento de Física Página 5/8

6 Procedimento AENÇÃO! A casa térmica encontra-se pronta a ser utilizada. Identificar o material da parede a ser estudado. 1. Antes de iniciar a experiência fazer a identificação de todo o material. Casa térmica ermopar Orifícios Material a testar ermómetros digitais ermóstato 2. Introduzir uma das pontas do termopar através de um dos orifícios da casa térmica (ver figura de forma a ue ele penetre pelo menos 5 cm no seu interior mas de modo a ue a lâmpada interna não incida directamente sobre o mesmo. Este termopar vai permitir registar os valores da temperatura ambiente no interior da casa. 3. Regular o termostato (euipamento ue permite manter a temperatura interna constante para o seu valor máximo. 4. igar o termostato à tomada eléctrica para ue a lâmpada interna aueça a casa. 5. Aguardar a estabilização da temperatura no interior da casa (aproximadamente 70 minutos. Verificar se a temperatura se encontra estabilizada através da leitura dada pelo termopar. 6. Medir a temperatura interna - SI - e externa termopares fixados nas mesmas. -SE - da parede através dos 7. Registar a temperatura do ar interior - AI - e temperatura do ar exterior - AE. Departamento de Física Página 6/8

7 8. Registar de minuto a minuto (durante aproximadamente 5 minutos novos valores de temperaturas ( SI, SE, AI e AE, tendo em atenção o funcionamento do termostato (ligar / desligar. 9. Calcular, para cada minuto, o coeficiente global de transferência de calor U e o coeficiente de condutividade térmica k para o material estudado *. 10. Comparar o valor obtido experimentalmente para o coeficiente de condutividade térmica do material ue constitui a parede, com o valor tabelado (abela 1. Calcular os erros associados ao valor determinado. Material k ( W m. K Esferovite 0,035-0,041 Madeira 0,14 Vidro 0,7-1,1 abela 1: Coeficiente de condutividade térmica de diferentes materiais * Observações para o cálculo: O coeficiente de transferência de calor por convecção para o caso da convecção natural do ar nas paredes de habitações fechadas, é constante e independente do material usado tendo o valor de h e = 8,1 W m 2 K. Por outro lado, a área A não necessita de ser conhecida porue todas as euações se podem resolver segundo A. Processo de cálculo: - Através da euação (7 calcular. A - Calcular U através da euação (8. - Calcular k através da euação (6. Questões 1 Diga o ue distingue a transmissão de calor por convecção da transmissão de calor por condução. 2 Diga justificando se são verdadeiras ou falsas as seguintes afirmações: (i O coeficiente de transferência de calor por convecção é uma propriedade do fluido associado ao processo. Departamento de Física Página 7/8

8 (ii No arrefecimento de uma parede por passagem de ar frio pela sua superfície, a energia é inicialmente transferida para a camada de ar adjacente à superfície por radiação, sendo posteriormente transportada por convecção. 3 Quais os factores de ue depende o coeficiente de transferência de calor por convecção? Referências Bibliográficas PHYWE, aboratory Experiments, Heat insulation/ Heat Conduction, PHYWE series of publications, 2002 Praticas de ecnologia Y Calor, Universidade de Sevilha Departamento de Física Página 8/8