TRANSFERENCIA DE CALOR

Introdução

O presente trabalho sobre Transferência de calor e massa apresenta expressões para calculo da transferência de calor e massa. No mecanismo de transferência de calor, podemos verificar a condução, convecção, radiação de calor, bem como mecanismos combinados, resistência técnica em seria, bem como a correlação empírica. No que diz respeito a transferência de massa, verificaremos as leis de equilíbrio entre fases, difusão molecular, transferência de massa por conversão. É detalhado, a correlação empírica de massa e por fim, é mostrado as duas leis de Firck sobre a difusão.

Para o desenvolvimento do referido trabalho se utilizou de pesquisas bibliográficas.

 

Transferência de calor

2.1- Conceito

Energia térmica é a energia interna de um corpo que pode ser transferida devido a uma diferença de temperaturas. É composta de energia microscópica: energia sensível e energia latente . Se um corpo colocado num meio a uma temperatura diferente da que possui, recebe ou perde energia, aumentando ou diminuindo a sua energia. Esta energia térmica transferida “para o” ou “do” corpo é conhecida por “Calor” e esse processo é definido por Transferência de Calor. Não ocorrendo mudança de estado físico, a variação de energia interna sofrida por um corpo, de massa m, é igual ao calor transferido (Q) e pode ser estimada pela variação de temperatura ocorrida (ΔT), conhecido o seu calor específico, CP. Havendo mudança de estado, a temperatura mantém-se constante. Pode-se verificar na evaporação de uma massa m de um líquido, e o calor associado é calculado, onde ΔHvap é obtida por subtração da entalpia do líquido à entalpia do gás.

Caso há diferença de temperaturas, ocorrerá transferência de calor no sentido das zonas onde a temperatura é mais baixa. Essa transferência pode ocorrer pelo mecanismo da condução, convecção e/ou radiação dependendo se ela se efetua através de sólidos ou de fluidos, entre sólidos separados por fluidos, entre fluidos separados por uma superfície sólida ou ainda entre superfícies sólidas entre as quais não existe matéria.

No dia a dia pode-se obervar transferência de calor, como exemplos temos aquecimento de água numa chaleira, a utilização de garrafas para evitar o rápido resfriamento de líquidos quentes, refrigeração de alimentos no frízer ou o seu aquecimento num forno elétrico, o esfriamento do radiador do carro pelo ar do ambiente; o sistema de ar condicionado, o aquecimento central, os aquecedores a óleo, o aquecimento do ar por meio de uma lareira, o isolamento de casas com placas de poliuretano, ou simplesmente uma camada de ar entre duas camadas de tijolo, a utilização de vidros duplos em vez de vidros simples.

2.2- Condução de calor

O processo de Condução de calor está associado à transferência de calor feita ao nível molecular, por transferência de energia sensível. As partículas mais energéticas transferem parte da sua energia vibracional, rotacional e translacional por contato com outras partículas próximas menos energéticas (que se encontram a uma menor temperatura) as quais recebem essa energia. Essa transferência é realizada, portanto, no sentido das temperaturas menores, ou seja, no sentido do gradiente (dT/dx) negativo. Ocorre em gases, líquidos ou sólidos. Nos fluidos (especialmente nos gases, onde existem menores forças de coesão) surgem ainda colisões entre as partículas. Nos sólidos metálicos os elétrons livres favorecem esse processo.

A lei fundamental que descreve a condução térmica é a lei de Fourier. O calor transferido por unidade de tempo, ou a velocidade de transferência de calor, na direção x Q_x,W é proporcional à área de transferência perpendicular ao fluxo de calor (A=W×H, m2), e ao gradiente de temperaturas (dT/dx). A constante de proporcionalidade é uma propriedade física do material designada condutividade térmica (kT, W.m-1.K-1). O sinal negativo é necessário sempre que o gradiente seja negativo para que o calor, por convenção, tome um valor positivo.

(1)

Na integração da equação anterior em estado estacionário (temperaturas constantes no tempo), obtém-se obtemos a equação Q_cond=K_T.A (T_S1-T_S2)/L↔Q_cond=(T_S1-T_s2)/R_parede (W), considerando as condições fronteiras definidas na equação (1) e a condutividade térmica constante nesse intervalo de temperaturas: em que TS1 e TS2 são, respectivamente, as temperaturas na face esquerda e direita da parede e Rparede é a resistência térmica da parede, definida pela R_parede=L/(Kt.A)(K.W^(-1)) .

Caso o material possua uma condutividade térmica elevada, como é o caso dos metais (Tabela 1), a parede oferece pouca resistência à transmissão de calor por condução, e a queda de temperatura através da parede é baixa, isto é, se kT → ∞, Rparede → 0 , TS1 ≈ TS2. Diz-se nesse caso que o material é bom condutor. Pelo contrário, se o material possuir uma condutividade térmica baixa é um péssimo meio de propagação de calor e diz-se que é um isolante. Isolantes como a lã, são usados no revestimento de tetos e paredes, para minimizar as trocas de calor com o exterior. Em geral, a condutividade térmica dos gases é menor do que a dos líquidos e esta menor que a dos sólidos.

Para minimizar as perdas de calor para o exterior no Inverno ou as entradas de calor no Verão, as nossas habitações devem ter janelas e portas de vidro duplos e serem construídas com telhados e paredes duplas entre as quais se coloca um material isolante, como espumas de poliuretano, lã de vidro ou lã mineral.

Exemplos de valores de condutividade térmica para alguns materiais, a 300 K (Çengel, 2003; Holman, 2002; Incropera, de Witt, 2002).

Material kT (W.m-1.K-1)

Diamante 2300

Cobre (puro) 401

Ferro (puro) 80

Vidro 0,78 - 1,4

Madeira 0,10 - 0,19

Água 0,61

Ar 0,026

2.3 – Convecções de calor

Com a existência de um fluido em movimento (líquido ou gás), acelera o processo de transferência de calor se um fluido mais frio (T∞), ficar em contacto com uma superfície mais quente (TS). Esta transferência dá-se em simultaneamente