eng 3006 transferÊncia de calor e massa 2o semestre
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ENG 3006TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA
1o SEMESTRE DE 2018
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CAPÍTULO 1
Introdução
• Definições fundamentais
• A 1a Lei da Termodinâmica
• Algumas aplicações da transferência de calor
• Mecanismos físicos
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Capítulo 1Introdução
• A ciência da transferência de calor considera a
transferência de energia entre dois sistemas devido à
diferença de temperatura entre eles.
• Na Termodinâmica, a transferência de calor é
considerada como uma das formas de interação energética
entre dois sistemas, sendo o trabalho a outra forma.
1a Lei: ∆E = Ee – Es [J]
• Contudo, as 1a e 2a Leis da Termodinâmica não
estabelecem o problema de determinar a transferência de
calor a partir do conhecimento das temperaturas e
naturezas dos sistemas envolvidos.
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Capítulo 1Introdução
• Expressões para o cálculo da transferência de calor
provêm de observações experimentais, sendo
denominadas relações constitutivas.
• Mecanismos da transferência de calor:
- Condução
- Convecção
- Radiação
• Algumas aplicações:
- Ciclos de potência
- Sistemas de refrigeração
- Resfriamento de componentes eletrônicos
- Tratamento térmico
- Processo de fabricação
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência
Ciclo Rankine de Potência
bomba
turbina
gerador de
vapor
QH
QC
WT
(1)
(2)
(3)
(4)
condensador
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Gerador de vapor)
Gerador de vapor
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Gerador de vapor)
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Condensador)
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Placa de circuitos eletrônicos
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Elevação contínua na potência de operação dos chips
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Ciclo de resfriamento eletrônico a água
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Bloco de água
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Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Bloco de água montado na placa de circuitos
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Teoria e Prática
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Capítulo 1Condução Térmica
• Mecanismo pelo qual o calor é difundido através de um
meio sólido, líquido e gasoso, o qual se encontra em
repouso macroscópico.
• Ponto de vista atômico-molecular: As partículas
constituintes (elétrons, átomos ou moléculas) da matéria
possuem liberdade para se movimentar. Este movimento,
de natureza caótica, promove a transferência de calor.
- Metais: transporte através de elétrons livres.
- Gases: transporte através do movimento das
moléculas.
- Cristais: transporte através dos retículos que unem os
átomos.
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Capítulo 1Condução Térmica
Condução através de uma camada de gás
entre duas placas de vidro.
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Capítulo 1Condução Térmica
Condução através
de uma placa 1D
TC
TH
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Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
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Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
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Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
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Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
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Capítulo 1Condução Térmica
x
x
T(x)
L
L
Escala macroscópica
TC
TH
TC
∆T = TH -TC
TH
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Capítulo 1Condução Térmica
x
L
Fluxo de calor por condução (Lei de Fourier):
xxcd
x
Tkq
∂
∂−=''
,
'',xcdq
[W/m2]
condutividade térmica [W/(m⋅⋅⋅⋅K)]
TH
TC
x
T(x)
L
Escala macroscópica
TH
TC
∆T = TH -TC
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Capítulo 1Condução Térmica
x
L
cdq
Simplificações:
• problemas 1D
• regime estacionário
• k constante
• sem geração de calor
Taxa de calor por condução:
cd
Tq k A
x
∆=
∆[W]
área transversal [m2]
TC
TH
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Capítulo 1Convecção Térmica
• A transferência de calor por convecção combina dois
mecanismos de transporte térmico: (1) condução, que
ocorre na interface entre a superfície da parede e o
fluido adjacente, que se encontra em repouso de acordo
com a hipótese de não-deslizamento; e (2) advecção da
energia térmica pelo fluido ao longo do escoamento.
parede
fluido
advecção
condução
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Capítulo 1Convecção Térmica
Trocador de calor de casco e tubos
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Capítulo 1Convecção Térmica
• Equação constitutiva:
• Para gases / vapor:
• Convecção natural: h ~ 2-25 W/(m2·K)
• Convecção forçada: h ~ 25-250 W/(m2·K)
• Condensação: h ~ 2500-25000 W/(m2·K)
Coeficiente de transferência de calor [W/(m2⋅⋅⋅⋅K)]
u∞, T∞
Ts )( ∞−= TTAhq scv
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Capítulo 1Radiação Térmica
• A radiação térmica não depende da presença de um
meio material para o seu transporte.
• A transferência de calor ocorre, neste caso, pela
propagação de energia através de fótons ou ondas
eletromagnéticas, como descrito pela teoria quântica.
• A radiação eletromagnética relacionada à temperatura
de um corpo encontra-se dentro da faixa de comprimento
de onda variando de 0,1 a 100 µm.
• A região espectral da radiação térmica inclui uma faixa
da radiação ultravioleta e todas as faixas da luz visível e
da radiação infravermelho.
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Absorção e espalhamento na atmosfera da radiação solar na região do visível
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Capítulo 1Radiação Térmica
Fornos de tratamento térmico a gás (esquerda)
e por resistências elétricas (direita)
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Capítulo 1Radiação Térmica
• Troca radiante entre uma superfície e a vizinhança:
- Taxa de calor emitido pela superfície (W):
- Taxa de calor absorvido pela superfície (W):
- Taxa de calor radiante (W):
4se TAq εσ=
4
a vizq A T= ασ
Ts
Tviz qe
qa rd e aq q q= −
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Capítulo 1Radiação Térmica
• Troca radiante entre uma superfície e a vizinhança:
- Taxa de calor emitido pela superfície (W):
- Taxa de calor absorvido pela superfície (W):
- Taxa de calor radiante (W):
4
a vizq A T= ασ
rd e aq q q= −Ts
Tviz
qrd
4se TAq εσ=
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Capítulo 1Radiação Térmica
• Para superfícies cinzentas (ε = α):
- Taxa de calor radiante (W):
- Na forma linearizada:
- Coeficiente de transferência de calor radiante:
4 4( )rd s vizq A T T= εσ −
8 2 45,67 10 W/(m K ) constante de Stefan-Boltzmann−σ = × ⋅ ≡
Ts
Tviz
qrd
))(( 22**vizsvizsrd TTTTh ++εσ=
)( vizsrdrd TTAhq −=
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Capítulo 1Radiação Térmica
• Para superfícies não-cinzentas (ε ≠ α):
- Taxa de calor radiante (W):
- Na forma linearizada:
onde é a temperatura estimada da superfície.
Obs: A formulação acima pode ser também aplicada a
superfícies cinzentas, normalmente acelerando a
convergência.
Ts
Tviz
qrd 44
vizsrd TATAq ασ−εσ=
44*3* 34 vizsssrd TATATTAq ασ−εσ−εσ=
*sT
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Capítulo 1Balanço de Energia
• Balanço de energia em superfícies:
Fronteiras do Sistema Sistema: Superfície
• Convenção de sinal para o fluxo de calor: comumente,
mas não sempre, o fluxo é estipulado como positivo
quando saindo da superfície.
''
rdq
''
cvq
''
cdq
'' '' ''
cd rd cvq q q= +
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Capítulo 1Unidades físicas
– Comprimento: metro
– Massa: kg
– Tempo: s
– Temperatura absoluta: K
– Diferença de temperatura: K ou oC
– Taxa de calor: W
– Taxa de calor por unidade de comprimento: W/m
– Fluxo de calor: W/m2
– Taxa de geração volumétrica de calor: W/m3
(símbolo: '')q
(símbolo: )q&
(símbolo: ')q
(símbolo: )q
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Capítulo 1Estratégia de solução
1. Coleta de dados: informação disponível no enunciado;
2. Especificação do que se deve determinar;
3. Esquematização do processo;
4. Proposição das simplificações;
5. Obtenção das propriedades;
6. Formulação do problema;
7. Solução do problema;
8. Verificação numérica e das unidades;
9. Análise dos resultados.