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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
Difí
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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