Recursos Energéticos e Meio Ambiente (REMA)

Engenharia Ambiental

1º semestre/2018

CALOR E TRABALHO

Capítulo 4

HINRICHS, R.A. e KLEINBACH, M. Energia e Meio Ambiente. 4ª. Ed. São Paulo: Ed. Thompson, 2011.

Equivalência entre trabalho e calor

O trabalho realizado pelosistema somado a energiaadicionada a ele é igual avariação da energia totaldo sistema.

������ = −���

������ + � ������ �� = ∆ �� + �� + ��

� ������ �� = ∆ �� + �� + �� +���

radiação

T1 T2

��T1 < T2

A força �� realiza um trabalho nas bordas

Do ponto de vista microscópico, atemperatura é proporcional a energia cinéticamédias do átomos daquele corpo.

Na escala Celsius, defini-se como 0oC oponto de congelamento da água e 100oC oponto de ebulição, ambos à pressão de 1 atm.

Na escala Kelvin, o zero absoluto se refere atemperatura emque o movimento dasmoléculas é mínimo, correspondente a -273oC.

Quando não há mudança de fase, ao seadicionar calor a uma substância, ocorre umaumento de sua temperatura de acordo com:

massa da substância calor específico que é uma característica de cada material ligada a sua capacidade de absorver calor

Um corpo comgrande valor de calor específico irá liberarmais energia na forma de calor Q para a vizinhança, enquantoexperimenta umdecréscimo de temperatura∆T menor que umcorpo de mesma massa, mas menor calor específico.

areia água

Durante o dia

areia água

Durante a noite

o ar aquecido fica menos denso e sobe

O calor específico está associado a inércia de troca de calor, quanto maior, mais lenta é esta troca

Quando ocorre mudança de fase, não há alteraçãoda temperatura pois a energia está sendo usada parao rompimento ou formação das ligaçõesintermoleculares.

Modos de transmissão de calorCondução: processo pelo qual ocorre a transferência de energia de

uma região de temperatura mais alta para uma região de temperatura mais baixa dentro de um meio físico (sólido, líquido ou gasoso) ou entre dois meios que estejam em contato físico direto.

Radiação: processo de transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas, que desta forma, não necessita de um meio para que ocorra.

Convecção: processo que permite a troca de energia por movimento dos constituintes de um sistema, podendo ser classificada com convecção natural, quando o movimento dos constituintes ocorre devido a uma diferença de densidade causadas por gradientes de temperatura, ou convecção forçada quando é usado um agente externo para que ocorra o movimento, como por exemplo um ventilador.

Quando a transmissão de calor por unidade de tempo for constante,dizemos que oregime é permanente. Um exemplo é troca de calorentre uma lâmpada emuma sala e o ar. Para que isto ocorra, o fluxode calor que entra emuma unidade de área do sistema deve ser omesmo que sai, não ocorrendo, desta forma, nenhuma mudança naenergia interna do sistema.

Caso haja mudança da energia interna do sistema, devido a alteraçõesde temperatura de regiões do sistema, dizemos que oregime étransitório ounão permanente.

tempo

temperatura

regime transitório

regime permanente

Condução (Lei de Fourier)

O calor transmitido qk por condução por unidade de tempo em um material depende:

• Condutividade térmica do material (k)

• A área da seção transversal através da qual é realizada a transmissão (A)

• O gradiente da temperatura na direção do fluxo (dT/dx)

A

T1

T2

T1 > T2

dT/dx

A

T1

T2

T1 > T2

dT/dx

dx

dTkAqk −=

Pela segunda lei da termodinâmica, o fluxo de calor ocorreda região de temperatura maior para de temperatura menor.Assim, o fluxo de calor será negativo quando o gradiente detemperatura for positivo.

Material K (Wm-1 K-1)

Prata 406

Cobre 385

Alumínio 205

Latão 109

Ferro 65

Aço 50.2

Chumbo 34.7

Madeira 0.04 - 0.12

Tijolo de isolamento 0.15

Vidro 0.8

Cimento 0.8

Gelo 1.6

Tijolo vermelho 0.6

Água a 20 oC 0.6

Fibra de vidro 0.04

Cortiça 0.04

Lã 0.04

Ar 0.024

Os materiais dealta condutividadetérmica sãochamados decondutores e debaixa de isolantes.

A condutividadetérmica de ummaterial varia deacordo com atemperatura, porém,em alguns casos,pode-se considerá-la constante.

Mal condutor de calor

Em uma parede plana, a área da seção transversal é constante, portanto:

∫∫ −= 2

1

T

T

L

o k kAdTdxq

dx

dTkAqk −=

∫∫ −= 2

1

T

T

L

ok dTkAdxq

( )12 TTkALqk −−=

( )L

TTkAqk

12 −−=

L

kAK k =

kA

LRk =

As constantes k, A e L só dependem do material. A quantidade kA/L é chamada de condutância térmica:

e o inverso da condutância é chamada de resistência térmica:

( )L

TTkAqk

12 −−=

kqkA

LT =∆

RiU =

Em um gás ou líquido, as moléculas estão muito distantespara que o calor seja transferido de forma efetiva porcondução. O calor é transferido emfluídosprincipalmente mediante movimento do gás ou líquidos,umprocesso chamado de convecção.

A densidade de fluído émenor quando este éaquecido, fazendo comque apareça uma correntepara cima.

Transferência de calor entre uma superfície e um fluído

ThAq ∆=

Na convecção há a troca de energia entre as partículas do fluído e a superfície e o deslocamento destas partículas

ThAq ∆=T

x

T1

T∞

T∞

T1

ThAq ∆=

Material da superfície

Volume, temperatura e pressão do fluído

Tipo do fluído

Tipo de escoamento do fluído

Calor específico do fluído

h é uma função de várias variáveis

Referência: http://www.scielo.br/img/fbpe/rbef/v23n4/09fi16.gif

Tipo do escoamento

laminar turbulento

Referência: http://www.windpower.org/res/obst.gif

Referância: http://www.scielo.sa.cr/img/fbpe/rcc/v3n3/0985i06.JPG

convecção natural

convecção forçada

L

h

q

A transferência de calor por radiação nãonecessita de ummeio material para que hajapropagação.

( ) 1/51 1)( 2

−−= TC

b eC

TE λλ λ

Onde:

Ebλ é o poder emissivo monocromático de um corpo negro, na

temperatura T, em W/m3;

λ é o comprimento de onda em m;

T é a temperatura absoluta do corpo em K

C2 = 374,15 x 10-18 Wm2;

C1=14,388 x 10-3 mK

0

5e-05

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0 2 4 6 8 10

3.228/((exp(1.4388*10000/(x*1000))-1)*x**5)3.228/((exp(1.4388*10000/(x*1100))-1)*x**5)3.228/((exp(1.4388*10000/(x*1200))-1)*x**5)

λm

Lei de Wien

mKmKT µλ 289810.989,2 3max == −

Emissão Total

∫+∞

=0

)( λλdETE bb

)(W/m )( 34TTEb σ=

(W)4ATqr σ=

42-8 KWm.10 67,5=σBoltzmann-Stefan de constante

Transmissão líquida de calor radiante

T2

T1

( )42

411 TTAqr −= σ

A taxa de perda de energia para o meio é de aproximadamente 100W para uma pessoa sentada.

Por que não irradiamos como uma lâmpada?

Unidades1 barril de petróleo = 42 galões americanos

1 galão americano = 3,78 l

1 barril de petróleo = 159 l

1 btu = 252 calorias

1 caloria = 4,186 J

1 btu é a quantidade de energia necessária para aumentar em 1 grau F a temperatura de 1 lb de água

1 tep (toe) = 11,63x103 kWh

1 hp = 746 W

Payback da lâmpada LED

22/03/2018

Tarefa de casa para 22/03 • Escolha uma hidroelétrica no Brasil e outra em qualquer país do

mundo e obtenha as seguinte informações:

- Localização

- Potencial nominal

- Quantidade média de energia gerada em um ano

- Altura da barragem

- Área superficial do lago

Tarefa de casa para 20/03

• Ler capítulo 4 do livro

• Quem ainda não viu, assistir ao vídeo “Itaipu como você nunca viu”

• Quemainda não viu, assistir ao vídeo “Caminhos da Energia -Episódio 09 - Soluções emeficiência energética esustentabilidade” no youtubehttps://www.youtube.com/watch?v=FbMWuK03ta4. Presteatenção no intervalo.