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EP34D
Fenômenos de TransporteProf. Dr. André Damiani Rocha
Aula 02 – Introdução à Transferência de Calor
Aula 02Introdução 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.
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Aula 02Introdução 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.
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Aula 02Introdução à Transferência de Calor
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Não confunda ou troque os significados de Energia
Térmica, Temperatura e Transferência de Calor.
Quantidade Significado Símbolo Unid.
Energia Térmica Energia associada ao comportamente
microscópico da matériaU ou u J ou
J/kg
Temperatura Meio indiretamente de avaliar a
quantidade de energia térmica
armazenada na matéria
T K ou oC
Transferência de
Calor
Energia Térmica transportada devido
ao gradiente de temperatura
Calor Quantidade de Energia Térmica
transferida em um intervalo de tempoQ J
Taxa de Calor Energia Térmica transferida por
intervalo de tempoq W
Fluxo de Calor Energia térmica transferida por
unidade de áreaq” W/m2
Aula 02Introdução à Transferência de Calor
Mecanismos ou Modos de Transferência de
Calor
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Condução de Calor Convecção de Calor Radiação de Calor
Aula 02Introdução 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.
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Aula 02Introdução 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.
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Aula 02Introdução à Transferência de Calor
Mecanismos ou Modos de Transferência de Calor
Um terceiro mecanismo de transferência decalor é conhecido como Radiação Térmica.Todas as superfícies a uma temperatura nãonula emitem energia na forma de ondaeletromagnéticas. Assim, na ausência de ummeio que se interponha entre duas superfícies adiferentes temperaturas existe transferência decalor por radiação.
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Aula 02Condução
Ao mencionar a palavra condução, devemos noslembrar imediatamente dos conceitos de atividadeatômica e molecular, uma vez que são processosfísicos que ocorrem a esses níveis. A conduçãopode ser vista como a transferência de energia daspartículas mais energéticas para as partículas demenor energia, em um meio, devido às iteraçõesentre elas.
Existem vários exemplos de transferência de calorpor condução. A ponta de uma colher de metal,quando imersa em uma xícara de café quente,será aquecida devida a condução de energiaatravés da colher.
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Aula 02Condução
Para condução de calor, a equação da taxa de
transferência de calor é conhecida como Lei de Fourier.
Para a parede plana unidimensional, regime
estacionário, condutividade térmica constante, a
equação da taxa de transferência de calor é dada por:
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Tkq
''k – condutividade térmica;
T – gradiente de temperatura
L
TTk
L
TTk
dx
dTkqx
2112"
Aula 02Condução
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Aula 02Convecção
O modo de transferência de calor por convecção écomposto de dois mecanismos. Além da transferênciade calor devido ao movimento do aleatório molecular(difusão), a energia também é transferida através domovimento global, ou macroscópico, do fluido. Essemovimento é associado ao fato de que, em qualquerinstante, um grande número de moléculas está semovimentando coletivamente ou na forma deagregados de moléculas. Tal movimento, na presençade gradiente de temperatura, contribui para atransferência de calor.
Estamos especialmente interessados na transferênciade calor por convecção, que ocorre entre um fluido emmovimento e uma superfície quando os dois seencontram a diferentes temperaturas.
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Aula 02Convecção
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.
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Aula 02Convecção
Para a convecção, a equação da taxa de
transferência de calor conhecida pela Lei de
Resfriamento de Newton.
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TThq S
"h – coeficiente de transferência de calor;
Ts – temperatura da superfície;
T - temperatura da corrente livre;
Aula 02Convecção
Valores típicos para coeficiente de transferência de
calor por convecção
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Processo h (W/m2K)
Convecção livre
Gases 2 - 25
Líquidos 50 – 1.000
Convecção Forçada
Gases 25 - 250
Líquidos 100 – 20.000
Convecção com mudança de fase
(Ebulição ou Condesação)
2.500 – 100.000
Aula 02Radiação
Radiação térmica é a energia emitida por todamatéria que se encontra a uma temperatura finita.Embora o enfoque esteja direcionado para aradiação emitida por superfícies sólidas, as emissõestambém podem ocorrer a partir de líquidos e gases.
Independente da forma da matéria, a emissão podeser atribuída a mudanças nas configurações doselétrons que constituem os átomos ou moléculas.
Enquanto a transferência de calor por condução econvecção requer a presença de um meio material,a radiação não necessita dele. Na realidade, atransferência por radiação ocorre de forma maiseficiente no vácuo.
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Aula 02Radiação
A taxa líquida de transferência de calor por radiação a
partir de uma superfície, expressa por unidade de área
da superfície, é dada por:
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)( 44"
vizSrad TTA
Energia perdida devido a emissão: Poder Emissivo
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sB TEE
E Poder Emissivo (W/m2)
emissividade
bE Poder emissivo do corpo negro
constante de Stefan Boltzman428 /1067,5 KmWx
Energia absorvida devido a irradiação
GGabs
absG Radiação incidente absorvida (W/m2)
absorvidade
G Irradiação (W/m2)
Aula 02Exemplo 1
Uma taxa de calor de 3kW é conduzida através de uma
parede isolante de área igual a 10m2 e espessura de
2,5cm. Se a temperatura interna da parede é de 415oC e
a condutividade do material é de 0,2W/mK, qual a
temperatura externa da parede?
Resposta: Te = 377,5oC
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Aula 02Exemplo 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 30oC, determine o fluxo de calor por
convecção para uma condição onde o veículo se
desloca a 35km/h no ar a -5oC com coeficiente de
convecção igual a 40W/m2K.
Resposta: q = 1800W/m2
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Aula 02Exemplo 3
Uma superfície de área 0,5m2, emissividade de 80% e
temperatura de 150oC é colocada em uma câmara
grande e vazia cujas paredes são mantidas a 25oC. 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: qemitida = 727,1W; q = 548W
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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, 2005. 604 p.
INCROPERA, F.P.; DEWITT, D.P.; BERGMAN, T.L.; LAVINE, A.
Fundamentos de transferência de calor e
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