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Introdução aos Processos de Troca de Calor

Termodinâmica x Transmissão de Calor :

●Termodinâmica voltada para os processos térmicos e principalmente para o balanço energético e a possibilidade de conversão entre calor e Trabalho.●Transmissão de Calor: estuda a energia em trânsito devido a diferença de temperaturas

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Calor e sua História

● Grécia antiga: Heraclitus o filósofo do “fluxo e fogo” e os três elementos.

● 1761 - Joseph Blake introduziu o conceito de Calor Latente.

● Thomas Newcommen e James Watt, identificaram uma série de maneiras de transformar trabalho em calor.

● 1797, Benjamin Thompson demonstrou ser possível também converter trabalho em calor (fricção)

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Teorias sobre a Transmissão de Calor

● Teoria do Phlogiston(1767): o calor estava associado a um material chamado “phlogiston”-a substância do calor, que era liberado durante o processo de queima.

● Teoria do Calórico(1770): o calor era uma substância que fluia entre os corpos.

● Primeira Lei da Termodinâmica(1850): comtemplava o calor com uma forma de energia e possibilitava a conversão entre trabalho e calor.

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Conceito de Temperatura

● Temperatura e energia cinética das moléculas

● Temperatura é associada ao nível energético da molécula

Movimento térmico de um segmento de proteína alpha-helix. As moéculas tem varios graus de liberdade para se movimentarem tanto na forma vibracional como rotacional.. (Fonte: Heat-Wikipedia, 2007)

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Mecanismos Físicos da Transmissão de Calor

● Condução Térmica

● Convecção Térmica

● Radiação Térmica

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Condução de Calor

● Processo de transferência através da rede de ligações moleculares

● Os tipos de ligações moleculares influem muito no processo de condução

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Lei Geral da Condução

● é diretamente propor-cional á diferença de Temperaturas

● é diretamente propor-cional á Área A

● é inversamente propor-cional á distância L

Cosiderando a taxa de transferência de calor por con-dução através de uma barra pode-se dizer que ele:

q∝ATL

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Lei de Fourier

A Lei Geral da Condução é também conhecida como Lei de Fourier e é definida a partir da proporcionalidade estabelecida anteriormente:

● k é a condutividade térmica do material e ● o sinal negativo representa que o fluxo ocorre sempre no sentido oposto do gradiente de temperaturas.

q=−k A∂T∂ x

≈−k ATL

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Taxa de Transferêcia de Calor e Fluxo de calor

● Taxa de transferência de calor: é a Trans-ferência de energia total através de um deter-minado corpo e representado pela letra q

● Fluxo de calor: é a Transferência de energia por unidade de área através de um deter-minado corpo e representado pela letra q”

Assim:

q ' '=qA

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Convecção Térmica

A Convecção Térmica é um fenômeno que associa o processo de transferência de calor da condução térmica com o movimento de massa. Por conta disto, este fenômeno ocorre EXCLUSIVAMENTE em fluidos (líquidos e gases).

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Formas da Convecção

A convecção térmica é normalmende subdividida em dois grandes grupos de acordo com a força motriz do escoamento:

● Convecção Forçada ou Advecção

● Convecção Natural ou Convecção Livre

● Convecção Mista

A combinação destas duas formas dá origem ainda a um terceiro tipo:

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Características Convecção Forçada

● O movimento do fluido ocorre alimentado por uma fonte externa que independe do processo de transferência de calor.

● Exemplos típicos são ventilação forçada e sistemas com bombeamento de fluidos.

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Convecção Natural

● Exemplos clássicos são a brisa marítima e a formação da pluma em torno de um cilindro aquecido.

● neste caso a movimentação do fluido é provocada pela própria variação de densidade durante o processo de troca de calor.

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Convecção Mista

● quando para o processo de troca de calor tanto o escoamento natural como o forçado são importantes.

● Exemplo: a pluma do caso anterior com um escoamento transversal

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Convecção com Mudança de Fase

● É um caso típico onde o processo pode ocorrer tanto através de uma movimentação natural como forçada do fluido, mas deve ocorrer uma transformação de fase líquido-gás durante o processo.

● São exemplos típicos os casos de condensadores, evaporadores, caldeiras, etc.

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Lei Geral da Convecção

A lei geral da convecção é também é uma expressão empírica conhecida como Lei de Resfriamento de Newton:

onde h é a constante de proporcionalidade conhecida como coeficiente de película ou coeficiente de transferência de calor por convecção.

q=h⋅A⋅T s−T ∞

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Variação do h com o mecanismo da convecção

e o tipo de fluido

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Radiação Térmica

A radiação térmica apresenta características peculiares sendo o processo de transferência de calor seja caracterizado por:

● o processo é de natureza eletromagnética e portanto independe da presença de meio material para o transporte de energia;● todos os corpos a temperatura maior que 0K emitem calor por radiação;● troca líquida de calor somente ocorre se os corpos estiverem a diferentes temperaturas.

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Princípios Básicos da Radiação

A quantidade de radiação de um corpo qualquer pode ser calculada pela integral da distribuição de Planck:

En=T 4=5,67×10−8W /m2K 4

Caso se trate de um corpo real, sua e-missão é uma parcela do valor do corpo negro, assim a sua emissão é dada por:

E=E n=T 4

Constante de Stefan-Boltzman

Emissividade – entre 0 e 1

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Troca de Calor por Radiação com um ambiente

Considerando G a radiação total presente no ambiente tem-se:

qrad, , =E−G=En−G

sendo a absortivi-dade do material e, para corpos cinzas:

=Assim: qrad

, , =T 4−T viz4 ou

qrad, , =T 4−T viz

4

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Coeficiente de Troca de Calor por Radiação

A equação anterior para a troca de calor entre um corpo real e um ambiente pode ser reescrita:qrad, , =T 4−T viz

4 = T 2T viz2 T 2−T viz

2 ou ainda:

qrad, , =T 2T viz

2 TT vizT−T viz

Assim, definindo:

hrad=T 2T viz2 TT viz

A expressão geral fica: qrad, , =hrad T−T viz

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Lei da Conservação da Energia

Tomando por base um Volume de Controle com troca de Energia, tem-se:

E AArmazenada

= E eEntrando

− E sSaindo

EGGerada

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Balanços Aplicados

● Termo Transiente:

E A=∂ E∂ t

=∂∂ t

UP⋅VW expansão

=∂H∂ t

=⋅V⋅c p⋅∂T∂ t

● Entrada e Saída de Energia: {E e=qeE s=q s

● Energia Gerada: EG=q⋅V

E A= E e− E s EG ⋅V⋅c p⋅∂T∂ t

=qe−qsqV

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Balanço Energético na Superfície

Tomando por base um Superfície de Controle com troca de Energia, tem-se:

E eEntrando

= E sSaindo

qe=qs

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Procedimento de Solução de Problemas

1. Levantamento dos dados e questionamentos

2. Fazer um esquema realístico

3. Hipóteses necessárias

4. Utilizar equações físicas adequadas

5. Obter propriedades físicas

6. Realizar os cálculos necessários

7. Considerações finais Fácil

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Bibliografia

● Incropera e Dewitt (2002)

● Wikipedia – verbetes heat, conduction

● http://www.ux1.eiu.edu/~cfadd/1150/13Heat/conv.html

● http://www.energyinfonz.co.nz/home/KidsZone/Energybasics/HE.html

● http://www.lenntech.com/boiler/boiler-feed-water.htm

● http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod6.html