Transcript
Page 1: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

TransferênciadeCalor

Prof.MarcoA.Simões

Page 2: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Mecanismosdetransferência

Page 3: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Conduçãodecalor•  Nãohátransportedemassa•  Osátomostransmitemsua

energiaciné=caporcolisãoaosseusvizinhos

•  Osen=doésempredatemperaturamaiorparaamenor

•  Ocorreprincipalmentecommateriaissólidos

•  Algunsmateriaissãobonscondutores,outrosnão

•  Oíndicequemedeessacaracterís=caéacondu=vidadetérmica

Page 4: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Cálculo–LeideFourier

OndeH⇒ taxadetransferência,J/souW

k⇒ coeficientedecondutividadetérmica, Js ⋅m⋅K

ou Wm⋅K

ΔT⇒ diferençadetemperatura,˚CouKL⇒ comprimento,m

H = k ⋅A⋅

TH −TCL

Gradientedetemperatura=ΔT

L

Page 5: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Coeficientesdecondu;vidadetérmica

Page 6: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Condu;vidadetérmicak(W/(mK))

Page 7: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

ExemploUmacaixadeisoporusadaparamanterasbebidasfriaspossuiáreatotal(incluindoatampa)iguala0,80m2,eaespessuradesuaparedemede2,0cm.Acaixaestácheiadeágua,geloelatasdeCoca-Colaa0°C.Qualéataxadefluxodecalorparaointeriordacaixa,seatemperaturadaparedeexternafor30°C?Qualéaquan=dadedegeloqueseliquefazduranteumdia?

Page 8: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resolução

Page 9: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

ExemploUmabarradeaçode10,0cmdecomprimentoésoldadapelaextremidadeaumabarradecobrede20,0cmdecomprimento.Asduasbarrassãoperfeitamenteisoladasemsuasparteslaterais.Aseçãotransversaldasduasbarraséumquadradodeladoiguala2,0cm.Aextremidadelivredabarradeaçoéman=daa100°Cpelocontatocomvapord'águaob=doporebulição,eaextremidadelivredabarradecobreéman=daaO°Cporestaremcontatocomgelo.Calculeatemperaturanajunçãoentreasduasbarraseataxatotaldatransferênciadecalor.

Page 10: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resolução

Page 11: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

ExemploNoexemploanterior,suponhaqueasduasbarrasestejamseparadas.Umaextremidadedecadabarraéman=daa100°Ceaoutraextremidadeéman=daaO°C.Qualéataxatotaldetransferênciadecalornasduasbarras?

Page 12: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resolução

Page 13: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resistênciatérmica•  Umvalortambémusadonaconstruçãociviléovalorda

resistênciatérmicaR.

•  QuandousamosaresistênciaRafórmuladocalortransmi=dofica:

R = L

k

Onde:

R⇒ resistênciatérmica,m2 ⋅KW

L⇒ espessuradomaterial,m

k⇒ coeficientedecondutividadetérmica, Wm⋅K

H = A⋅

TH −TCR

Podemostambémnosreferiraofluxosuperficialdecalor:

q•

= HA⇒q

=TH −TCR

Wm2

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

Page 14: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,
Page 15: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resistênciatérmica

Page 16: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

ExemploUmaparedede5metrosdelargurapor2,8metrosdealturaéfeitaapenasde=jolobaianode14cm.Atemperaturaexternaéde30˚Ceainternaéde22˚C.Calculeataxadetransmissãodecaloreocustopordiaparaatenderessadiferença,supondoumatarifadeR$120,00/kWh.

H = A⋅TH −TCR

H =5,0×2,8⋅30−220,30 ⇒H =373W

Consumo⇒ C =373×24⇒C =8,95×103Wk⇒C =8,95 kWh

Custo⇒ Custo=8,95×120⇒Custo= R$1074,00

Page 17: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resistênciatérmica(série)•  Umaspectoprá=codaresistência

térmica,éque,quandoosmateriaisisolantesestãojustapostos,elapodesersomada,quandováriosmateriaisdecoeficientedecondu=vidadediferenteestãojustapostos.

RTotal =2⋅RTijolo +RIsopor +RReboco

Page 18: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resistênciatérmica(paralelo)•  Casoosmateriaises=veremmontadosemsérieeemparalelo,aresistênciatérmicaserádadapor:

Req = R1 +R2,3,4 +R5Com1R2,3,4

= 1R2

+ 1R3

+ 1R4

Page 19: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

ExemploUmasalade3metrosdecomprimentopor4delargurae2,5dealturaéfeitade=jolobaianode9x12cm,reves=doexternamenteporumacamadadelãderochade5cm,einternamenteporargamassaIsodurde3cm,com30%deumidade.Qualofluxodecalorqueocorreapenaspelasparedes,considerandoumatemperaturaexternade35˚Ceumainternade22˚C?

Page 20: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resolução

Page 21: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Exemplo•  Calcularofluxodecalorporm2deumconjuntocompostopor

duascamadasexternasderebocoisolantesecode3cmdeespessura,internamentepor=jolobaianode14cmelãderochade14cm.Suponhaumatemperaturaexternade30˚Ceinternade22˚C.

Req = R1 +R2,3 +R4

1R2,3

= 1R2

+ 1R3

⇒ 1R2,3

= 10,16 +

13,68⇒R2,3 =5,83

Req =0,38+5,83+0,38⇒Req =6,59

q•

=TH −TCReq

⇒q•

= 30−226,59 ⇒q•

=1,21Wm2

1

2

3

4

Page 22: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Convecção•  Aconvecçãoocorrenosfluidos(estadolíquidoougasoso)

•  Aregiãoaquecidaficamenosdensaquearegiãoaoredor,eéimpulsionadaparacima.

•  Asregiõesmaisfriasdescem,mantendoociclo.

•  Comesseciclo,ocalorétransportado

Page 23: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Convecção•  Aanálisematemá=caécomplexa,masépossívelverificarque:–  Quantomaioraárea,maioratrocadecalorporconvecção.Porissoousodealetasnosradiadores

–  Quantomaisviscosoolíquido,menoratransmissãoporconvecção

•  Aconvecçãopodesernaturalouforçada

Page 24: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Convecção-Aplicações

Page 25: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Radiação•  Em1800,William

Herschelldemonstrouqueastemperaturasnascoreslaranjaevermelhaerammaioresquenaazulevioleta.

•  Eraaindamaiornaáreaescuraantesdovermelho.

•  Chamamosessaregiãodeinfra-vermelho.

Page 26: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Espectroeletromagné;co

Page 27: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Aplicações•  Oscorposemitemcalornaformaderadiaçãoinfra-vermelha

•  Issopermiteváriasaplicaçõesmédiaseindustriais

Page 28: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Aplicações

Page 29: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Aplicações

Page 30: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Aplicações

Page 31: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Coeficientedeemissividade•  Corponegro:idealmente,podeabsorver100%da

energiaqueincidesobreele,ouemi=r100%daenergiaqueelecon=ver

•  Exemplo:umasuperhciefoscadecorpreta•  Comparamosataxadeemissãodassuperhciescoma

taxadeemissãodeumcorponegro•  Essarelaçãoéchamadadecoeficientedeemissividade,e

variade0a1•  Quantomaispróximode1,maispróximoeleestádeum

corponegro(absorsor/emissor)•  Quantomaispróximode0,maisrefletordecaloréo

corpo

Page 32: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Coeficientesdeemissividade

Page 33: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Cálculodocalortransmi;doporradiação

H = A⋅e ⋅σ ⋅T 4

OndeH⇒ taxadetrasmissãodecalor,J/souWA⇒ áreaqueestátransmitindoocalor,m2

e⇒ coeficientedeemissividadedasuperfície(de0,0a1,0)

σ ⇒ constantedeproporcionalidadedeStefan-Boltzmann=5,67×10−8 Wm2 ⋅K 4

T⇒ temperatura,Kelvin

Page 34: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

ExemploUmaplacaquadradadeaço,comladoiguala10cmeespessura1cméaquecidaemumaforjaatéumatemperaturade800˚C.Sabendoqueaemissividadeéiguala0,60,qualéataxatotaldeenergiatransmi=daporradiação?

Page 35: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resolução

Page 36: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Radiaçãoeabsorção•  Oscorposemitemeaborvemenergiatérmicaaomesmotempo.

•  Seastemperaturaforemiguais,calorrecebidoéigualaocalorirradiado.

•  Seatemperaturadoambiente,Tsfordiferentedadocorpo,ataxaderadiaçãoresultanteserá:

HTotal = A⋅e ⋅σ ⋅ T 4 −Ts4( )

Page 37: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

ExemploSabendoqueaáreatotaldocorpohumanoéaproximadamente1,20m2,equeatemperaturadasuperhcieéde30˚C,calcule(a)ataxatotaldetransferênciadocorpoporradiaçãoe(b)ataxaresultantedocalorperdidopelocorpoporradiação,supondoumatemperaturaambientalde20˚C.Aemissividadedocorpohumanoédecercade0,98,independentedapigmentaçãodapele.

Page 38: Transferência de Calor - masimoes.pro.brmasimoes.pro.br/fisica_aplic/09_transf/Transferência de calor... · Por isso o uso de aletas nos radiadores – Quanto mais viscoso o líquido,

Resolução


Recommended