ATPS Processos De Fabricação Mecânica

Relatório 1: Introdução ao estudo de transferência de calor.

DEFINIÇÕES

Os termos aqui apresentados são: Calor, Condução, Radiação, Convecção.

- Calor;

Segundo definição do dicionário Aurélio, calor é “... a forma de energia que se transfere de um sistema para o outro em virtude duma diferença de temperatura existente entre os dois, e que se distingue das outras formas de energia porque, como o trabalho, só se manifesta num processo de transformação”. Desta definição de calor pode-se observar que o calor nada mais é do que uma forma de energia. A maneira com que esta energia altera as propriedades (dependentes ou independentes) de um sistema no estado de equilíbrio é escopo do estudo da Termodinâmica Clássica. Já os efeitos que ocorrem durante o processo da transmissão da energia em forma de calor é escopo da Transferência de Calor. Dentre estes efeitos, exalta-se a variação da taxa temporal de transmissão de calor (variável não considerada na termodinâmica). Os principais princípios da Termodinâmica devem estar bem assimilados a fim de se absorver o conteúdo deste trabalho da forma mais efetiva.

Além disso, a definição supra citada sugere a Primeira Lei da Termodinâmica, que, simplificadamente, diz que a energia (na forma de calor ou trabalho) não é criada, e sim, transformada. Matematicamente, considerando um sistema fechado (i.e. m’=0), pode-se escrever este princípio pela equação que segue (aplicada a um volume de controle):

Σ dQi/dt-Σ dWj/dt = ∆E

Na equação acima, W simboliza Energia na forma de Trabalho, Q simboliza a energia na forma de calor e ΔE simboliza a variação de energia de um sistema. Como se pode notar, as duas grandezas estão aplicadas à razão d/dt. Porém, esta formulação deve ser aplicada ao estado de equilíbrio do sistema termodinâmico. Seus resultados indicam somente que a somatória das taxas de variação de calor e de trabalho, dentro de um volume de controle em um sistema fechado, são constantes, e podem ser transformadas de uma forma para a outra. Os valores da variação temporal destas taxas, assim como sua dependência do tipo de meio e da superfície de absorção/emissão de calor, não são aqui consideradas. Como citado anteriormente, estes são aspectos abordados pela Transferência de Calor.

- Condução;

“A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de temperatura mais alta para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato físico direto”. Essa explicação abrange tanto a apresentação da Segunda Lei da Termodinâmica, quando se diz que a transmissão de calor parte de uma região de temperatura mais alta para outra de temperatura mais baixa, quanto a definição específica do processo de transmissão de calor por Condução: “...em contato físico direto.”. Portanto, a transmissão de calor por Condução ocorre quando corpos em diferentes temperaturas estão literalmente “encostados” um no outro. A energia (calor) do corpo de temperatura mais alta agita as moléculas do corpo de temperatura mais baixa, fazendo com que a energia cinética média das moléculas deste último se eleve, aumentando, assim, sua energia interna. Conseqüentemente, a temperatura do corpo que está “recebendo” a energia em forma de calor se eleva até o estado de equilíbrio. Para ilustrar este fenômeno, imagina-se um bule com água fervendo ao fogão. O fogo aquece o bule, o qual, por condução, aquece a parcela de líquido que está em contato direto com o mesmo. Esta transmissão de calor por condução é a única maneira de que o calor pode ser transmitido entre corpos sólidos opacos. Já em meios líquidos, a condução também apresenta grande importância, embora esteja, quase sempre, relacionada com outros meios de transmissão de calor. Segundo definição do cientista francês J.B.J. Fourier, em 1882, a quantidade de calor transmitida por condução segue a seguinte lei:

qk= -KA x dt/dx

Na formulação acima, k representa a condutividade térmica do material, A representa a área da seção através da qual o calor flui por condução (medida perpendicularmente à direção do fluxo), e dT/dx representa o gradiente de temperatura na seção. Nesta formulação, toma-se como convenção a direção de aumento na coordenada x como fluxo positivo de calor. Sabendo-se que, pela segunda lei da termodinâmica, o calor flui da região de maior temperatura para a região de menor temperatura, deve-se adotar o sinal negativo para o produto acima, conforme mostra a equação.

Como se pode observar pelo balanço de unidades da fórmula acima, qk é medido em quantidade de calor por unidade de tempo. Usualmente, esta grandeza é expressa em kilocalorias por hora, ou kcal/h.

O valor da condutividade térmica varia de aproximadamente 6×10-3kcal/hmoC, para os gases, até 3,6 x 10² Kcal/h x m x ºC, para o cobre. Os materiais que têm alta condutibilidade térmica são chamados condutores, enquanto os de baixa condutibilidade são chamados isolantes.

Aplicando a fórmula acima a uma parede plana, em regime permanente, pode-se facilmente chegar ao seguinte resultado:

qK= AK x ∆t/L

Onde L é a espessura da parede.

Dividindo os dois termos pelo fator kA⋅, teremos que a quantidade de calor transmitida por unidade de tempo será igual à diferença de temperatura entre os dois lados da parede, sobre o fator L/A.k. A este último fator, dá-se o nome de Resistência Térmica à Condução. Portanto, defini-se Resistência Térmica à Condução como segue:

Rk= L/A.k

Portanto, a quantidade de calor por unidade de tempo transmitida em regime permanente por uma parede plana pode ser escrita simplesmente como:

Qk= ∆T/Rk

Esta equação é bastante usada para simplificar problemas de Transmissão de Calor.

- Radiação;

“A radiação é um processo pelo qual o calor é transmitido de um corpo a alta temperatura para um de mais baixa quando tais corpos estão separados no espaço, ainda que exista vácuo entre eles”. Por esta definição, vê-se que não há necessidade de um contato físico entre os corpos para que a energia (na forma de calor) seja transmitida entre