Transferência de Calor

O QUE É A TRANSFERÊNCIA DE CALOR? COMO OCORRE?

Transferência de Calor

Transferência de calor-Condução

Condução – coordenadas cilíndricas e esféricas

Convecção

Convecção

Convecção

Radiação Térmica

Designa-se por radiação térmica, toda a energia radiante emitida na gama de comprimentos de onda 0,1 a 100 μm do espectro electromagnético.

Resulta da emissão e propagação de ondas electromagnéticas (ou fótons) por alteração na configuração eletrônica de átomos e moléculas.

Qualquer corpo com uma temperatura superior a 0 K emite energia radiante.

A transferência de calor por radiação térmica ocorre através de sólidos, líquidos e gases e no vácuo, exceto nos sólidos e líquidos opacos à radiação térmica (que são a maioria).

Como, em geral, os gases são pouco absorventes, a contribuição da radiação térmica para o calor total transferido não deve ser desconsiderada nos cálculos de Engenharia quando se têm superfícies separadas por gases (como por exemplo o ar).

Radiação Térmica

Radiação Térmica

A energia radiante que um corpo emite é dada pela Lei de Stefan-Boltzmann (Josef Stefan 1835-1893, Ludwig Boltzmann 1844-1906) aplicada a um corpo real:

Q̇= . . A .T s4 W

sendo σ =5,67×10-8 W.m-2.K-4 a constante de Stefan-Boltzmann, ε, a emissividade da superfície emissora (0<ε≤1), A, a sua área e Ts a sua temperatura absoluta (K).

Na eq. acima, a energia emitida é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta, pelo que a sua importância, relativamente aos outros mecanismos, aumenta com esta. Um corpo ideal (negro) emite a radiação máxima possível jáque a sua emissividade é unitária.

Radiação Térmica

Tabela de emissividade de alguns materiais

Radiação Térmica

O transporte de energia associado a este mecanismo é qualitativamente diferente dos mecanismos (condução e convecção). Contudo, uma vez que todas as superfícies emitem radiação térmica, e esta será tanto maior quanto mais elevada for a temperatura, se um corpo emitir mais energia do que aquela que recebe proveniente das superfícies envolventes, a temperatura desse corpo diminuirá. Assim, para o cálculo da velocidade de perda ou ganho de energia, o que interessa é conhecer o resultado global da troca de energia radiante entre superfícies. Um exemplo, é a energia radiante trocada entre uma superfície de área A de um corpo pequeno à temperatura Ts e outra superfície vizinha à temperatura Tviz<TS que o envolve completamente, separadas por um fluido não absorvente.

Q̇= . . A .T s4−T viz

4 W

Mecanismos combinados

Num sólido opaco à radiação térmica a transferência de calor ocorre apenas por condução, enquanto num fluido opaco ela ocorre por convecção (a qual engloba a própria condução)

No vácuo apenas ocorre radiação.

Nos sólidos, líquidos e gases não opacos, a transferência de calor ainda pode ocorrer por radiação, em paralelo à condução ou convecção. Diz-se que estamos perante mecanismos combinados.

Mecanismos combinados - Exemplo

Determine o calor perdido por uma pessoa, por unidade de tempo, supondo que a sua superfície exterior se encontra a 29ºC, sendo a emissividade de 0,95. A pessoa encontra-se numa sala cuja temperatura ambiente é 20ºC (T∞) sendo a área do seu corpo de 1,6 m2 - figura a seguir. O coeficiente de transferência de calor entre a superfície exterior da pessoa e o ar pode considerar-se igual a 6 W.m-2.K-1.

Simplificações: desprezar a transferência de calor por condução através dos sapatos para o chão e o calor perdido por respiração e transpiração; supor que a temperatura das superfícies envolventes (paredes) é idêntica à temperatura ambiente (Tviz ≈ T∞).

Mecanismos combinados - Exemplo