Conversao De Calor

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção.

Como vimos, a radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.

A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra, sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor. Consequentemente, a condução só é importante entre a superfície da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio de transferência de calor para a atmosfera como um toda a condução é o menos significativo e pode ser omitido na maioria dos fenômenos meteorológicos.

A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido.

Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da superfície da Terra para a troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os pólos. O calor é também transportado horizontalmente na atmosfera, por movimentos convectivos horizontais, conhecidos poradvecção. O termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera.

A radiação térmica, também conhecida como irradiação, é uma forma de transferência de calor que ocorre por meio de ondas eletromagnéticas. Como essas ondas podem propagar-se no vácuo, não é necessário que haja contato entre os corpos para haver transferência de calor. Todos os corpos emitem radiações térmicas que são proporcionais à sua temperatura. Quanto maior a temperatura, maior a quantidade de calor que o objeto irradia. Um exemplo desse processo é o que acontece com a Terra, que, mesmo sem estar em contato com o Sol, é aquecida por ele. Outro exemplo pode ser observado na figura a seguir:

Fig. 2.13 - Mecanismos de Transferência de Calor

Na atmosfera, o aquecimento envolve os três processos, radiação, condução e convecção, que ocorrem simultaneamente. O calor transportado pelos processos combinados de condução e convecção é denominado calor sensível.

CALCULO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO

A transferência de calor por condução obedece à lei de Fourier, que diz que a taxa de condução do calor Qcondução é proporcional à área de transferência de calor e ao gradiente de temperatura (dT/dx), ou:

Qcondução = - K A (dT/dx)

Onde K, a condutividade térmica, mede a capacidade do material de conduzir calor. As unidades de K são W/m. K.

Q condução = - K A (T H - T C) /L

Esta equação mostra os intervalos de valores de condutividade térmica para líquidos, sólidos não metálicos e metais puros em condições normais de temperatura e pressão.

Dependência de temperatura da condutividade térmica (K)

Para a maioria dos materiais, K varia com a temperatura. Ele aumenta com a temperatura em gases sob-baixas pressões, mas pode aumentar ou cair em metais ou líquidos.

A tabela a seguir lista as condutividades térmicas (em W/m. K) em relação à temperatura (em K) para alguns materiais:

Metal Temperatura (K)

103 173 273 373 473 573 673 873

Aço inoxidável 15 17 19 21 25

Chumbo 40 37 36 34 33 32 17 (líq.) 20 (líq.)

Platina 78 73 72 72 72 73 74 77

Zinco 124 122 122 117 110 106 100 60 (líq.)

Silício 856 342 168 112 82 66 54 38

CALCULO DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO

O coeficiente de transferência térmica ou coeficiente de transferência de calor, em termodinâmica e em engenharia mecânica e química, é usado no cálculo da transferência de calor, tipicamente por convecção ou mudança de fase entre um fluido e um sólido:

Onde:

ΔQ = entrada de calor ou perda de calor, J.

h = coeficiente de transferência térmica, W/(m2K).

A = área de superfície de transferência térmica, m2.

= diferença na temperatura entre a área da superfície do sólido e a do fluido circundante, K.

= período de tempo, s.

Da equação acima, o coeficiente de transferência de calor é o coeficiente de proporcionalidade entre o fluxo de calor, Q/(AΔt), e a força condutora termodinâmica para o fluxo de calor (i.e., a diferença de temperatura, ΔT).

O coeficiente de transferência de calor tem unidades SI em watts por metro quadrado-kelvin: W/(m2K).

O coeficiente de transferência de calor é o inverso da isolamento térmico.

Existem numerosos métodos para o cálculo do coeficiente de transferência