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vodan
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Mecanismos de Transferncia de Calor
BC0205 Roosevelt Droppa Jr. [email protected]
Mecanismos de Transferncia de Calor Conduo, conveco e radiao Transferncia de calor transferncia de energia. Que
unidades ? J/s - Unidade de energia por unidade de tempo
Como voc acha que o calor transferido de uma lata de cerveja em um freezer ? Quais mecanismos ?
E quanto ao calor transferido a voc em um dia quente de vero ?
Em geral os mecanismos de transferncia de calor esto em ao simultaneamente!!
Os mecanismos so fisicamente muito diferentes e portanto tem formulao matemtica distinta
Conduo Quais as caractersticas principais do fenmeno de
conduo de calor ?
Quais as caractersticas principais do fenmeno de conduo de calor ?
Ocorre entre dois corpos que estejam em contato Deve existir uma diferena de temperatura entre estes dois
corpos
Tem origem no comportamento da estrutura microscpica do material (assim como a expanso trmica)
Conduo
Conduo A energia transferida ao
longo do material pela coliso entre tomos adjacentes
O processo estacionrio (TH e Tc no mudam)
Bom condutor k elevado; bom isolante k baixo
k a condutividade trmica do material
ConduoLei de Fourier
Integrando dos dois lados:
Q o calor transferido em L de material
Obtm-se
1A
Q
t= kT
L
1A
Lf
Li
Q
tdL = k
Tf
Ti
dT
Resistncia Trmica
Quando queremos isolar um ambiente (minimizar as perdas por conduo de calor) faz mais sentido falarmos de resistncia trmica.
Quais so as unidades ?
k =Q/tA x L/T
k tem unidades de fluxo de calor (Q/A) por distncia/(diferena de temperatura)
Tipicamente a condutividade dada em [k] = W/mK
Resistncia TrmicaQuais so as unidades ?
Tipicamente a resistncia trmica dada por L/k = m2K/W
Note o paralelo entre as definies de condutividade e resistividade eltrica
Um valor elevado de R caracteriza um bom isolante trmico; um valor baixo de R, um bom condutor trmico
Generalizao para Vrias Camadas
Qual a restrio natural do problema ? Q1=Q2 ou P1=P2
Resolvendo para TX encontramos
Substituindo acima:
P =k2A(TH TX)
L2=
k1A(TX TC)L1
Resistncia TrmicaEm funo da resistividade trmica temos
P = A(TH TC)R2 + R1
Dessa forma, o comportamento da resistividade anlogo ao da resistividade eltrica para um sistema em srie! A resistncia total a soma das resistncias colocadas em srie.
Generalizao para Vrias Camadas
Para n camadas encontramos:
Rtotal =
n
Lnkn
=
n
Rncom
A resistncia total a soma das resistncias individuais.
Alguns Valores da Condutividade Trmica
Exerccio
Uma caixa de isopor usada para manter as bebidas frias possui rea total de 0,8m e a espessura da parede mede 2cm. A caixa est cheia de
gua e gelo e latas de cerveja a 0C. Qual a taxa de fluxo de calor para o interior da caixa se a temperatura da parede externa for de 30C? Qual a quantidade de gelo
que se liquefaz durante o dia?
Resoluo
Radiao Quais as caractersticas principais do fenmeno de
transferncia de calor por radiao? (ex. fogueira, ferro incandescente, o sol)
Radiao Quais as caractersticas principais do fenmeno de
transferncia de calor por radiao?
No precisa de contato (meio) entre os corpos A troca de energia feita por meio de ondas
eletromagnticas
Este tipo de onda eletromagntica chamada de radiao trmica
Todo corpo acima do zero absoluto emite radiao trmica Todo corpo em um ambiente a temperatura acima do zero
absoluto absorve radiao trmica
No est relacionado - absolutamente - com a radiao nuclear
RadiaoTaxa de emisso dada por: a constante de Stefan-Boltzmann dada em W/m2K4
a emissividade da superfcie, que varia de 0 a 1 (corpo negro)
T a temperatura do corpo
A taxa de absoro de radiao trmica dada por
A taxa lquida de absoro de radiao trmica , portanto, dada por
Prad = "AT 4
Prad = "A(T 4amb T 4)
Prad = "AT 4amb
Radiao Ao lado temos um
termograma (colorao artificial) de duas casas - uma com bom isolamento trmico (R alto) outra com um mal isolamento trmico.
Quais os principais processos de transferncia de calor voc pode identificar nesta figura ?
Conveco Quais as caractersticas principais do fenmeno de
conveco? (aquecimento de gua, fenmenos meteorolgicos, flambar da chama)
Conveco Quais as caractersticas principais do
fenmeno de conveco? (aquecimento de gua, fenmenos meteorolgicos, flambar da chama)
Ocorre em um meio fluido Provocado por variaes locais na
densidade do fluido
Necessita de uma diferena de temperatura entre o fluido e uma superfcie slida
Fundamental para a descrio de fenmenos meteorolgicos
Modelagem matemtica complexa
Exerccio A temperatura do ar cai para 6C toda a noite, muito alta para congelar a gua. Porm o cu de uma noite escura atua como um radiador de
corpo negro a uma temperatura de -23C.
Isolando termicamente do cho, colocada em um
recipiente a quantidade de 4,5g de gua em uma camada
fina de 5mm de profundidade, 9cm de rea
e emissividade de 0,9. Determine o tempo
necessrio para a gua congelar por meio de
radiao.
Resoluo do exerccio