transferencia de calor - unidade 1 - aula 01.ppt salvo automaticamente

IESAM Instituto de Ensino Superior da AmazniaEngenharia Mecnica - EM

Contedo da Unidade1.1 - Introduo 1.1.1 - Modos de Transferncia de Calor; 1.1.2 - Leis Bsicas da Transferncia de Calor;1.2 - Equaes da Conduo;1.2.1 Condies de Contorno;1.2.2 - Sistemas Cilndricos e Esfricos1.3 Exerccios de Aplicao.Introduo aos Fenmenos de Transferncia de CalorIESAM Instituto de Ensino Superior da AmazniaEngenharia Mecnica - EMUnidade - I

**Engenharia Mecnica EM

Introduo

Relao entre termodinmica e transmisso de calorCalor EspecficoMecanismos Bsicos de Transmisso de CalorLeis Bsicas de Transferncia de CalorMecanismo Combinado de Transmisso de CalorO Balano de Energia


1.1.Relao entre Termodinmica e Transmisso de CalorTransmisso de Calor o processo pelo qual a energia transportada sempre que existir um gradiente de temperatura no interior de um sistema ou, quando dois sistemas com diferentes temperaturas so colocados em contacto.


1 Lei da TermodinmicaA primeira lei da Termodinmica preconiza que a energia no pode ser criada ou destruda mas sim transformada de uma forma para outra. Esta lei governa quantitativamente todas as transformaes de energia, mas no faz restries quanto direo das referidas transformaes.


1 Lei da TermodinmicaA primeira lei da Termodinmica tambm conhecida como lei de conservao de energia pode ser enunciada da seguinte forma:a variao total da quantidade de energia (aumento ou reduo) da energia de um sistema durante um processo igual a diferena entre a energia total que entra e a que sai do sistema durante o processo.


Termodinmica e Transferncia de CalorNormalmente interessa saber quanto tempo demora o ch quente, dentro da garrafa trmica, a atingir determinada temperatura, o que no pode ser determinado s pela anlise termodinmica


2 Lei da TermodinmicaA segunda lei de termodinmica diz que nenhum processo possvel, cujo nico resultado seja uma transmisso lquida de calor de uma regio de baixa temperatura para outra de temperatura mais alta.


Termodinmica e Transferncia de CalorO calor sempre flui de uma regio com temperatura mais alta para uma de mais baixa


Corolrio das Duas LeisA termodinmica clssica est limitada principalmente ao estudo dos estados de equilbrio (mecnico, qumico e trmico) e sendo assim ela de pouca ajuda na determinao quantitativa das transformaes que ocorrem devido deficincia ou falta de equilbrio dos processos de engenharia.Sendo o fluxo de calor resultado de falta de equilbrio de temperatura o seu tratamento quantitativo deve ser baseado em outros ramos da cincia.


Calor e outras formas de energiaNa anlise de sistemas que envolvem fluxos de fluidos, frequentemente encontra-se combinao das propriedades u e Pv. Por convenincia esta combinao definida como entalpia h. Ela , h = u + Pv onde o termo Pv representa a energia do fluxo do fludo


Calor e outras formas de energiaA energia pode-se manifestar de vrias formas tais como a trmica, mecnica, cintica, potencial, eltrica, magntica, qumica e nuclear. soma de todas as formas chamada de energia total e designada pela letra E.As formas de energia esto relacionadas com a estrutura molecular do sistema e o grau da atividade molecular chamado de energia microscpica.A soma de todas as formas microscpicas de energia chamada energia interna do sistema e designada pela letra U.


Corolrio das Duas LeisO calor especfico definido como a energia necessria para elevar a temperatura de uma unidade de massa de uma substncia em um grau. Ele pode ser: Calor especfico a volume constante Cv; Calor especfico a presso constante Cp.O calor a presso constante Cp maior que a volume constante Cv, porque a presso constante o sistema expande e a energia para esta expanso deve ser fornecida ao sistema.Cp= Cv+ R (1.2)


Calor EspecficoO calor especfico a energia requerida para elevar em um grau a temperatura de uma unidade de massa de determinada substncia de um modo especifico


Calor EspecficoO calor especfico das substncias varia com a temperatura


Calor EspecficoO calor especfico a presso constante Cp e a volume constante Cv de uma substncia incompressvel so idnticos e designam-se por C


1.2 Mecanismos Bsicos de Transmisso de CalorExistem trs modos bsicos de transmisso de calor que so: Conduo; Conveco; Radiao.Todos os modos de transferncia de calor requerem que haja diferena de temperatura, e em todos eles a transferncia de calor se faz da temperatura mais alta para a mais baixa.


Conduo um processo pelo qual o calor flui duma regio de alta temperatura para outra de baixa temperatura dentro de um meio (slido, lquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contacto fsico direto. Na conduo a energia transmitida por meio de comunicao molecular direta, sem apreciveis deslocamentos das molculas.


Conduo


Conduo


Conduo


Conduo


Conveco um processo de transferncia de energia pela ao combinada da conduo de calor e movimento da mistura e armazenagem de energia.Na prtica sob conveno subentende-se o processo de troca de calor entre corpo lquido ou gasoso e slido.


ConvecoA causa do movimento do fludo pode ser externa em consequncia do trabalho mecnico (ex.:com ajuda de um ventilador ou bomba);neste caso tem-se conveco forada, ou o movimento resulta espontaneamente quando t = t1- t2 causa uma diferena de densidade do fludo este fenmeno chama-se conveco livre.


Conveco


Radiao


Radiao


1.3 Leis Bsicas de Transferncia de CalorAs leis bsicas de transferncia de calor so:A Lei de Fourier que caracteriza a transferncia de calor por conduo.

Lei de Resfriamento de Newton que determina a quantidade de calor transferido por conveco; e a

Lei de Stephan Boltzman que serve para a determinao do calor transferido por radiao.


1.3.1 - Lei de FourierA lei de Fourier a lei bsica de transmisso de calor por conduo tendo sido J. Fourier o primeiro a usa-la explicitamente num artigo sobre transferncia de calor no ano de 1822. Esta lei afirma que o calor trocado por conduo em uma certa direo proporcional a rea normal direo e ao gradiente de temperaturas na tal direo:


1.3.1 - Lei de FourierIntroduzindo uma constante positiva chamada Condutividade Trmica, que uma propriedade termodinmica, pode-se escrever:


1.3.1 - Lei de Fourier


Exemplo 1.1



Condutividade Trmica A condutividade trmica uma propriedade fsica do material. Ela indica a quantidade de calor que fluir atravs de rea unitria se o gradiente de temperatura for unitrio. Assim a condutividade trmica k numericamente igual a quantidade de calor em Joules que passa num segundo atravs de uma rea unitria (1m2) do corpo, numa queda de temperatura de 1K, sobre o trajeto de um metro (1m)do fluxo de calor.


1.3.2 Lei de Newton (I) A densidade de fluxo de calor transmitida por unidade de tempo por conveco entre uma superfcie e um fluido pode ser calculada pela relao:q=hAs(Ts-T) (1.6)

Esta relao foi proposta originalmente pelo cientista Ingls Isacc Newton(1701), onde As a rea superficial ou de contacto, q a densidade de fluxo de calor, h o coeficiente de troca de calor por convecco [W/mK], Ts a temperatura da superfcie e T a temperatura do fluido. A temperatura do fluido em geral tomada num ponto afastado da superfcie.


1.3.2 Lei de Newton (II)Uma preocupao a ser resolvida o ponto onde deve ser colocado o termmetro que far a medio das temperaturas. Para a temperatura Ts simples uma vez que por definio esta dever ser a temperatura da superfcie. Entretanto no segundo caso a situao se complica uma vez que a temperatura prximo da pea quente ser maior que longe dela.A quantidade total de calor transmitida dada por:


Exemplo 1.2 (I)A temperatura de ebulio do nitrognio a presso atmosfrica ao nvel das guas do mar (1atm) de -196C. Da o nitrognio ser comumente usado em estudos cientficos a baixa temperatura, j que a temperatura do nitrognio lquido num tanque aberto mantm-se constante a -196C at o nitrognio lquido no tanque acabar. Qualquer transferncia de calor no tanque resulta na evaporao de algum nitrognio lquido que tem o calor de vaporizao de198kJ/kg e a massa especfica de 810kg/m a 1atmosfera.Considere-se um tanque esfrico de 4m de dimetro inicialmente cheio de nitrognio lquido a 1atm e a temperatura de -196C.


Exemplo 1.2 (II)Um tanque est exposto ao ar ambiente que se encontra a temperatura de 20C com um coeficiente de transmisso de calor de 25W/m.C. A temperatura do tanque de paredes finas a mesma do nitrognio que se encontra no seu interior. Desprezando a transferncia de calor por radiao determine a taxa de evaporao do nitrognio lquido no tanque, com o resultado da transferncia de calor do ar ambiente.


Exemplo 1.2 (Resoluo I)Assume-se:Regime permanente. As perdas de calor por radiao so desprezadas. O coeficiente de transferncia de calor por conveco constante e uniforme em toda a superfcie. A temperatura das paredes do tanque igual a temperatura do nitrognio no seu interior.Propriedades: O calor de vaporizao e a massa especfica do nitrognio so dados a 1 atm e so respectivamente 198 kJ/kg e 810 kg/m. Anlise: O calor transferido para o tanque calcula-se de:


Exemplo 1.2 (Resoluo II)A taxa de evaporao do nitrognio lquido do tanque determina-se de:


1.3.3 Lei de StephanBoltzman(I)A quantidade de (calor) energia que deixa a superfcie como calor radiante depende da temperatura absoluta e da natureza da superfcie.Um irradiador perfeito ou corpo negro emite energia radiante da sua superfcie a razo qrad dada por:Onde uma constante de proporcionalidade chamada constante de Stefan-Boltzman, que tem o valor de 5,675. 10 exp-8 W/mK4.


1.3.3 Lei de StephanBoltzman(II)OndeA a rea da superfcie em m2T1- a temperatura da superfcie emissora em KelvinT2 - a temperatura absoluta do ambiente que troca calor com o corpo dado e a emissividade do corpo dado.Contudo os corpos reais emitem e absorvem apenas uma percentagem da energia radiante


Exemplo 1.3Considere-se uma pessoa cuja rea exposta de 1,7m2,a sua emissividade de 0,7 e a temperatura da sua superfcie de 32C.Determinar o calor que esta pessoa perde por radiao numa sala grande se esta tiver as paredes a:300K;280K.


Exemplo 1.3 (Resoluo I)Assume-se:Regime permanente.As perdas de calor por conveco so desprezadas.A emissividade da pessoa considera-se constante em todo o corpo. Propriedades: A emissividade considerada constante de 0,7. Anlise: de notar que o homem est completamente envolvido pela pelas paredes da sala.


Exemplo 1.3 (Resoluo II)


1.4 - Mecanismo Combinado de Transmisso de Calor At agora considerou-se, separadamente os mecanismos bsicos de transmisso de calor (conduo, conveco e radiao). Em muitos casos prticos a transferncia de calor numa superfcie ocorre simultaneamente por conveco para o ar ambiente e por radiao para o meio circundante. Neste caso a perda de calor por unidade de rea e dada pela combinao dos dois mecanismos.


1.5 O Balano de Energia (I)A considerao do balano de energia, muitas vezes desempenha um papel muito importante na anlise de transferncia de calor. Se delimitar-se as fronteiras do sistema em considerao, possvel igualar o fluxo de energia que est a ser transferida de ou para esse sistema, ao fluxo de energia que esta a ser armazenada dentro do mesmo sistema.


1.5 O Balano de Energia (II)Durante a considerao do balano de energia as designaes usadas para os fluxos de energia transferidas ou geradas so as seguintes:Ein - o fluxo de energia fornecida ao sistema;Eout - o fluxo de energia que sai do sistema;Eg - o fluxo de energia gerada no interior do sistema;Es - o fluxo de energia que est a ser armazenada no sistema.


1.5 O Balano de Energia (III)O balano dos fluxos de energia atravs da fronteira do sistema e as alteraes internas que podem ocorrer podem ser expressas duma forma geral como:


1.6 Mtodo de Resoluo de Problemas TcnicosA primeira etapa ao aprender-se qualquer cincia conhecer os fundamentos. A etapa seguinte dominar os fundamentos, pondo este conhecimento em teste. Isto feito resolvendo problemas relevantes. A resoluo de tais problemas, especialmente complicados, requer uma aproximao sistemtica. Usando uma aproximao passo a passo, pode-se reduzir a soluo de um problema complicado resoluo de uma srie de problemas simples. Ao resolver um problema, recomenda-se usar as seguintes etapas, com zelo, quando possvel. Isto ajuda a evitar alguns dos erros comuns associados a resoluo de problemas.


Etapa 1: Traduo do problema em suas prprias palavras.Em suas palavras faa uma descrio sumria do problema, a informao chave dada, e as grandezas a serem encontradas. Isto certifique-se de que compreende o problema e os objetivos, antes de tentar resolve-lo.


Etapa 2: EsquemaDesenhe um esboo real do sistema fsico envolvido e anote a informao relevante na figura. O esboo no tem de ser algo muito elaborado, mas deve assemelhar-se ao sistema real e mostrar as caractersticas chave. Indique todas as interaes de energia e mssicas com os arredores. Listar a informao dada no esboo, ajuda a compreender o problema, no seu todo, de uma vez. Tambm, confira as propriedades que permanecem constantes durante o processo (tais como a temperatura durante um processo isotrmico), e indique-as no esboo.


Etapa 3: As suposiesIndique todas as suposies feitas para simplificar o problema e para tornar possvel a sua resoluo. Justifique as suposies questionveis. Proponha valores razoveis para as grandezas necessrias em falta. Por exemplo, na ausncia de dados especficos sobre a presso atmosfrica, pode admitir que seja 1 atm. Entretanto, deve-se notar na anlise que a presso atmosfrica diminui com o aumento da altitude.


Etapa 4: As leis fsicasAplique todas as leis e princpios bsicos fsicos relevantes (tais como o da conservao de energia), e reduza a sua formulao o mais simples utilizando as suposies feitas. Entretanto, a regio a que uma lei fsica aplicada deve ser primeiramente claramente identificada. Por exemplo, o aquecimento ou o resfriar de uma bebida enlatada so analisados geralmente aplicando o princpio de conservao de energia toda a lata.


Etapa 5: As propriedadesDetermine as propriedades desconhecidas nos estados conhecidos, necessrias para resolver o problema, das relaes ou de tabelas de propriedades. Liste as propriedades separadamente e indique a sua fonte se possvel.


Etapa 6: Os clculosSubstitua as grandezas conhecidas nas relaes simplificadas e execute os clculos para determinar as desconhecidas. Ateno particular deve se dar s unidades e simplificao das mesmas e recorde-se que uma grandeza dimensional sem unidades no faz nenhum sentido. Tambm, no d uma falsa exatido elevada do resultado, copiando todos os dgitos da mquina de calcular, arredonde os resultados a um nmero apropriado de dgitos significativos.


Etapa 7: Raciocnio, verificao e discussoPara certificar-se de que os resultados obtidos so razoveis e racionais, verifique a validade das suposies feitas. Repita os clculos que resultaram em valores no racionais. Por exemplo, isolar um aquecedor de gua que consome $80 de gs natural por ano no pode resultar em economizar $200 num ano.

transferencia de calor - unidade 1 - aula 01.ppt salvo automaticamente

Documents