material de fluxo

1. 1
Aula 1 - Fundamentos de
Ciências Térmicas
CEFET_BA
PROFº DIÓGENES GANGHIS

2. 2
Definições iniciais
Energia (uma definição):
“Capacidade de realizar trabalho”.
Formas de energia:
- Cinética (movim. macroscópico, térmica etc)
- Potencial (elétrica, gravitacional, elástica etc)
Matéria:
“Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço.”
Principais estados da matéria:
Sólido, Líquido e gasoso.
(http://www.materiaprima.pro.br/estados/Estados.htm)

3. 3
Gás
• Forma indefinida;
• Arranjo totalmente
desordenado;
• Volume indefinido;
• Partículas livres para
se moverem.
Principais Estados da Matéria
Sólido
• Forma rígida;
• Arranjo compacto,
ordenado;
• Volume definido;
• Movimento
molecular restrito.
Líquido
• Forma indefinida;
• Arranjo
desordenado;
• Volume definido;
• Partículas movem-se
umas entre as outras.
 ←
 →
sfriaRe
Aquece
 ←
 →
sfriaRe
Aquece

4. 4
Grandeza física que indica o estado (grau de agitação)
das partículas de um corpo, caracterizando o seu
estado térmico.
Temperatura: Noção intuitiva
T1
T2
T1 > T2
T T
contato
T1 > Teq > T2

5. 5
Calor e sua propagação
Calor (uma definição):
“Calor é a energia térmica em trânsito, devido a
uma diferença de temperatura entre os corpos”.
Há transferência líquida de calor,
espontaneamente, do corpo mais quente para o
corpo mais frio.

6. 6
Unidades de medida de calor
caloria – cal
Joule – J
British thermal unit – Btu
A caloria é definida como a
quantidade de calor necessária
para se elevar de 14,5°C para
15,5°C uma quantidade de 1g
de água.
O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb
de água de 63°F para 64°F.
Joule - unidade adotada pelo SI para energia.

7. 7
Convenção para a Troca de calor
calor recebido
calor retirado
Q > 0
Q < 0

8. 8
Troca de Calor
Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para
alcançar o equilíbrio.
0...321 =++++ nQQQQ
Em um sistema isolado, a quantidade total de calor
trocado entre os corpos é nula, ou seja, o calor total
recebido pelos corpos mais frios é igual ao calor total
retirado dos corpos mais quentes.

9. 9
• Termodinâmica:
Estuda as interações (trocas de energia) entre um
sistema e suas vizinhanças.
• Transferência de calor:
Indica como ocorre e qual a velocidade com que o
calor é transportado.

10. 10
O que ocorre com a temperatura de um
corpo quando se transfere calor a ele??
A temperatura pode
aumentar ou não.

11. 11
Calor sensível
Quando o calor é utilizado pela substância apenas para
variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico.
Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura.
Q = C ∆T = m c ∆T
Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU etc];
C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC];
m = massa do corpo [g, kg];
c = calor específico da substância [J/(kg ºC)];
∆T = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC].

12. 12
H2O Barra de
ferro
Calores específicos
(a 25ºC e 1 atm) [J/(kg ºC]:
H2O = 4200; Gelo (0ºC) =2040
Etanol = 2400; Alumínio = 900;
Cobre = 390; Latão = 380;
Ferro = 450; Vidro = 840.
Calor específico e capacidade
calorífica

13. 13
Valores de c (25ºC e 1 atm)
Calor Específico Calor Específico Molar
Substância cal/(g.K) J/(kg.K) J/(mol.K)
Sólidos Elementares
Chumbo
Tungstênio
Prata
Cobre
Alumínio
0,0305
0,0321
0,0564
0,0923
0,215
128
134
236
386
900
26,5
24,8
25,5
24,5
24,4
Outros Sólidos
Latão
Granito
Vidro
Gelo (-10°C)
0,092
0,19
0,20
0,530
380
790
840
2.220
Líquidos
Mercúrio
Álcool etílico
Água do mar
Água doce
0,033
0,58
0,93
1,00
140
2.430
3.900
4.190
Fonte: Halliday

14. 14
Calor específico para gases
• Calor sensível a pressão constante:
∆H = Qp = m cp (Tfinal – Tinicial)
- cp é o calor específico do material a pressão constante;
- ∆H variação de entalpia do corpo (J, kcal etc.).
• Calor sensível a volume constante:
∆U = Qv = m cv (Tfinal – Tinicial)
- cv é o calor específico do material a volume constante;
- ∆U variação de energia interna do corpo (J, kcal etc.).

15. 15
Calor Latente
Quando o calor trocado é utilizado pela substância para
mudar de estado físico, sem variação de temperatura e
sob pressão constante, ele é chamado de calor latente.
Ex.: fornecimento de calor à água fervente.
VAPORIZAÇÃO

16. 16
O calor latente de mudança de estado pode ser:
endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão,
vaporização e sublimação são endotérmicas pois a
matéria precisa absorver calor.
exotérmico (Q < 0): As transformações de liquefação,
solidificação e sublimação inversa são exotérmicas,
pois a matéria precisa liberar calor.
Mudança de fase

17. 17
Q = m L
- Q (J) quantidade de calor trocado;
- L (J/kg) calor latente da transformação física;
- m (kg) a massa que mudou de estado físico.
Como a pressão é constante:
Q = ∆H → L = h
- ∆H variação de entalpia da transformação física (J);
- h entalpia específica da transformação física (J/kg).
Cálculo da troca de calor latente

18. 18
Qual a velocidade de uma Troca de Calor?
Velocidade  Fluxo de calor
t
Q
tempodeIntervalo
AáreaumaatravessaquecalordeQuantidade
q
∆
==
•
No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.
A
T1 > T2
Q

19. 19
“Grandeza física que indica a direção e permite o
cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre
dois corpos”.
Temperatura (uma definição):

20. 20
Processos de Transferência de Calor
• Condução
• Convecção
• Radiação térmica
Condução Convecção Radiação térmica

21. 21
Condução
Fonte:
www.terra.com.br/fisicanet
Transferência de energia de
partículas mais energéticas para
partículas menos energéticas por
contato direto.
Necessita obrigatoriamente de
meio material para se propagar.
Característico de meios
estacionários.

22. 22
Condução de Calor

23. 23
Condução
A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula,
somente através da agitação molecular e dos
choques entre as moléculas do meio.
Calor
Condução de calor ao longo de uma barra.
Condução de calor ao longo de gás confinado.
T1 > T2

24. 24
Fluxo de Calor na Condução
• “Lei de Fourier”:
L
)TT(A
kqcond
21 −⋅
⋅=
•
k é a condutividade térmica [W/(m ºC)]
k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC)
k (água a 300K) = 5,9 x 10-1
W/(m ºC)
k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2
W/(m ºC)

25. 25
Condutividade Térmica de diversas substâncias

26. 26
Condução - Aplicações e conseqüências
• Conforto térmico corporal;
• Seleção de materiais para empregos específicos
na indústria (condutores e isolantes).
Por que os iglus são
feitos de gelo?
k (gelo a 0ºC) = 1,88 W/(m ºC)
cp (gelo a 0ºC) = 2040 J/(kg ºC)

27. 27
Convecção
Transmissão através da agitação
molecular e do movimento do
próprio meio ou de partes deste
meio;
Movimento de partículas mais
energéticas por entre partículas
menos energéticas;
É o transporte de calor típico dos
meios fluidos. Fonte: www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br

28. 28
Na convecção natural, ou livre, o escoamento do
fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de
diferenças de densidade causadas por variação de
temperatura do fluido.
Convecção natural e forçada
Transporte natural de fluidos
Convecção natural

29. 29
Na convecção forçada o fluido é forçado a circular
sobre a superfície por meios externos, como uma
bomba, um ventilador, ventos atmosféricos.
Convecção natural e forçada
Convecção forçada
Transporte forçado
de fluidos

30. 30
Fluxo de Calor na Convecção
• “Lei de Newton do Resfriamento”:
)TT(Ahq sconv ∞
•
−⋅⋅=
- h é o coeficiente de transferência convectiva
de calor ou coeficiente de película [W/(m2
ºC)]
Área A

31. 31
Coeficiente de transferência
de calor por convecção - h
Processo h [W/(m2
K)]
Convecção natural
Gases
Líquidos
2 – 25
50 – 1.000
Convecção forçada
Gases
Líquidos
25 – 250
50 – 20.000
Convecção com mudança de fase
Ebulição ou condensação 2.500 – 100.000
Fonte: Incropera

32. 32
Convecção - Aplicações e
conseqüências
• Conforto ambiental;
• Refrigeração de circuitos elétricos.

33. 33
Irradiação ou radiação térmica
- Toda a matéria que se encontra a uma
temperatura acima do Zero Absoluto (0 K) irradia
energia térmica.
- Não necessita de meio material para ocorrer,
pois a energia é transportada por meio de ondas
eletromagnéticas.
- É mais eficiente quando ocorre no vácuo.

34. 34
Radiação Térmica ou Irradiação

35. 35
Ondas eletromagnéticas

36. 36
Transmissão de calor por Radiação
itra QQQQ =++ 1=++ tra
de)(absorvida
Q
Q
a
i
a
= )aderefletivid(
Q
Q
r
i
r= )vidadetransmissi(
Q
Q
t
i
t=

37. 37
Reflexão
• O refletor perfeito (espelho ideal), r = 1.
Absorção
• Um corpo negro (absorvedor perfeito), a = 1.
• Um corpo cinzento, a < 1.
Transmissão
• Um corpo transparente, t ≠ 0 (zero).
• Um corpo opaco, t = 0 (zero).
1tra =++
Modelos adotados na radiação térmica

38. 38
Transmissão de calor por Radiação
Lei dos Intercâmbios: Todo bom absorvedor é um bom
emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um
mau emissor de radiação térmica.
Corpo negro é também o emissor ideal de
radiação térmica (radiador ideal)!!!!
Corpos Escuros: bons absorvedores e emissores de
radiação térmica. Ex.: fuligem (a = ε = 0,94).
Corpos claros e polidos: maus absorvedores e emissores
de radiação térmica. Ex.: prata polida (a = ε = 0,02).

39. 39
Fluxo de calor na Radiação
“Lei de Stefan-Boltzmann”:
reais)(corpos
negro)(corponegro)(corpo
4rad
4
máxima
rad
T
A
q
E
T
A
q
E
⋅σ⋅ε=








=
⋅σ=








=
•
•
E – Poder emissivo [W/m2
];
ε – emissividade (0 ≤ ε ≤ 1);
σ – Constante de Stefan-Boltzmann [5,7 x 10-8
W/(m2
K4
)];
T – Temperatura absoluta do corpo (K).

40. 40
Fluxo de calor transferido por radiação
Para a troca de calor por radiação entre duas
superfícies, uma dentro da outra, separadas por um
gás que não interfere na transferência por radiação:
( )44
vizinhançaSuperfície
rad TT
A
q
−⋅⋅=









 •
σε
Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor,
suposta mais quente;
Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior,
suposta mais fria.

41. 41
Radiação Térmica - Aplicações
• Fonte alternativa de energia;
• Previsões meteorológicas baseiam-se nas
emissões de infra-vermelho provenientes da
terra.

42. 42
Processos de Transferência de Calor
Trocador de Calor
Os diferentes mecanismos
de troca térmica ocorrem
simultaneamente nas mais
diversas situações.

43. 43
Resistência térmica
sistemadotérmicaaresistênciaéR
etérmicopotencialoéTonde,
R
T
q ∆
∆
=
Ah
T
TAhq
⋅
∆
=∆⋅⋅=
1

Ak
L
T
L
T
Akq
⋅
∆
=
∆
⋅⋅=
Condução Convecção

44. 44
Mecanismos Combinados de
transferência de calor






++=−+−+−
=−
=−
=−
AhAk
L
Ah
qTTTTTT
Ah
q
TT
Ak
Lq
TT
Ah
q
TT
.
1
..
1
.
.
)(
.
.
)(
.
)(
21
433221
2
43
32
1
21




( )
tR
totalT
q
RRR
TT
AhAk
L
Ah
TT
q
∆
=⇒
++
−
=
++
−
= 
321
41
.
2
1
..
1
1
41

45. 45
Mecanismos Combinados de
transferência de calor
( )
A.h
1
A.k
L
A.k
L
A.h
1
TT
RRRR
TT
R
T
q
e2
2
1
1
i
51
eisorefi
51
t
total
+++
−
=
+++
−
=
∆
=