Aula 2

Calor

• Energia em trânsito devido a uma diferença de temperaturas;

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• Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios, ocorrerá transferência de calor.

Calor

• Na Termodinâmica, a transferência de calor é considerada como uma das formas de interação energética entre dois sistemas, sendo o trabalho a outra forma.

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1ª Lei: ∆E = Ee– Es [J]

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• Contudo, a 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica não estabelecem o problema de determinar a transferência de calor a partir do conhecimento das temperaturas e naturezas dos sistemas envolvidos.

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Mecanismos

• Condução;

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• Convecção;

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• Radiação.

Condução

Condução

Condução Unidimensional

• Quando a transferência ocorre de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura.

Condução Unidimensional

• Quando a transferência ocorre de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura.
• Fluxo de calor (Lei de Fourier):

Condução Unidimensional

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• Num estado estacionário:

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Condução Unidimensional

• Taxa de calor por condução:

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• Simplificações:

• problemas 1D

• regime estacionário

• k constante

• sem geração de calor

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Exemplo

• A parede de um forno industrial é construída de tijolo refratário de 0,15 m de espessura com uma condutividade térmica de 1,7 W/m.K. As medições feitas durante a operação em estado estacionário revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas superfícies interna e externa, respectivamente. Qual é a taxa de perda de calor através de uma parede de 0,5 m 1,2 m de lado?

Exemplo

• A parede de um forno industrial é construída de tijolo refratário de 0,15 m de espessura com uma condutividade térmica de 1,7 W/m.K. As medições feitas durante a operação em estado estacionário revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas superfícies interna e externa, respectivamente. Qual é a taxa de perda de calor através de uma parede de 0,5 m 1,2 m de lado?

Exemplo

• A parede de um forno industrial é construída de tijolo refratário de 0,15 m de espessura com uma condutividade térmica de 1,7 W/m.K. As medições feitas durante a operação em estado estacionário revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas superfícies interna e externa, respectivamente. Qual é a taxa de perda de calor através de uma parede de 0,5 m 1,2 m de lado?

Convecção

• transferência de calor por convecção combina dois mecanismos de transporte térmico: (1) condução, que ocorre na interface entre a superfície da parede e o fluido adjacente, que se encontra em repouso de acordo com a hipótese de não-deslizamento; e (2) advecção da energia térmica pelo fluido ao longo do escoamento.

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Convecção

Forçada: Natural:

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Convecção

Exemplo

• Um chip isotérmico quadrado tem largura w=5 mm e é montado em um substrato de forma que as superfícies lateral e inferior sejam bem isoladas. A superfície superior é exposta ao fluxo de um refrigerante em 15 °C. Por considerações de confiabilidade, a temperatura do chip não deve exceder 85 °C. Se o refrigerante for ar e o coeficiente de convecção correspondente for h=200 W/(m².K), qual é a potência máxima permitida do chip? Agora, se o refrigerante é um líquido dielétrico para o qual h=3000 W/(m².K), qual é a potência máxima permitida?

Radiação

• A radiação térmica não depende da presença de um meio material para o seu transporte;
• A transferência de calor ocorre, neste caso, pela propagação de energia através de fótons ou ondas eletromagnéticas, como descrito pela teoria quântica;
• A radiação eletromagnética relacionada à temperatura de um corpo encontra-se dentro da faixa de comprimento de onda variando de 0,1 a 100 μm;
• A região espectral da radiação térmica inclui uma faixa da radiação ultravioleta e todas as faixas da luz visível e da radiação infravermelho.

Radiação

Radiação

• Troca radiante entre uma superfície e a vizinhança:
• Taxa de calor emitido pela superfície (W):

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• Taxa de calor absorvido pela superfície (W):

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• Taxa de calor radiante (W):

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Radiação

• Para superfícies cinzentas (ε = α):
• Taxa de calor radiante (W):

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• Na forma linearizada:

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• Coeficiente de transferência de calor radiante:

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Análise garrafa térmica

Análise garrafa térmica