O documento aborda os princípios da transferência de calor e massa, destacando os modos de condução, convecção e radiação. Detalha como o calor se propaga, a lei de Fourier, e as características da condução em sólidos, líquidos e gases. Também apresenta a conservação de energia e a primeira lei da termodinâmica no contexto da transferência de calor.

1. Transferência de calor e
massa
TMEC 030

2. Capítulo 1
Introdução

3. 1.1 Calor: Forma de energia que se transmite
espontaneamente de um corpo para o outro
quando entre eles existir uma diferença de
temperatura no espaço.
➢ O calor é uma energia em trânsito provocada por um
gradiente de temperatura.
➢ Grandeza mensurável  Temperatura
➢ Não há necessidade de dois corpos, pode o calor ser
transferido de um ponto a outro, dentro do mesmo
corpo. Ex: aquecimento da ponta de uma faca.

4. 1.2 Fluxo de Calor: Relação entre a
quantidade de calor transmitido e o
tempo gasto na transmissão.
Unidades: ( J/s = W ; Btu/h ; cal/s )
➢ Fluxo  q’’ (W /m2 )
➢ Taxa  q’’ (W)
q
Q
t
=

5. 1.3 Transferência de Calor : Explica os
modos de transferência , como o calor se
propagada e as taxas que ocorrem.

6. 1.4 Processos de Transferência de Calor
➢ Condução  Quando há gradiente de
temperatura num meio estacionário sólido ou
fluido.
➢ Convecção  É o processo de transferência
de calor executado pelo escoamento de fluido.
O fluido atua como transportador de energia
que é transferida da parede ou para a parede.
➢ Radiação  É um processo
eletromagnético e independe do meio.

7. 2. Transferência de calor por
condução
2.1. Condução  É o modo de
transferência de calor em que há troca de
energia de uma região de maior
temperatura para uma de menor
temperatura pelo movimento cinético ou
pelo impacto das moléculas, no caso de
um fluido em repouso e pelo movimento
de elétrons no caso de metais.

8. Considere um gás em que haja uma diferença
de temperatura e admita que não haja movimento
global, ou macroscópico.
FIGURA 1.2 Associação da transferência de calor por Condução à
difusão de energia em razão da atividade molecular.

9. CONDUÇÃO
Sólidos   Líquidos  Gases
É um processo que predomina nos sólidos
(menor espaço interatômico ), ocorrendo
também em menor intensidade nos líquidos e
gases.
Sólidos ( bons condutores – metais
isolantes – lã de vidro)
Líquidos e gases normalmente isolantes

10. 2.2. Lei de Fourier
A taxa de transferência de calor é proporcional,
por unidade de área, a variação de
temperatura.
ou
qx ’’  significa fluxo por área ( W/m2)
q kA
T
x
x = −


q k
T
x
x
"
= −



11. A  Área perpendicular à direção do fluxo de
calor
 gradiente de temperatura na
direção do escoamento
Transferência de calor por condução unidimensional


T
x

12. k  coeficiente de condutividade térmica
( W/m K)
Indica a rapidez com que se transfere o calor.
K = f(T); tipo de material
Exemplos:
- Prata 410 W/m K - Cobre 385 W/m K
- Mármore 2,08 W/m K - Lã de vidro 0,038 W/m K
- Água 0,556 W/m K
- Ar 0,024 W/m K

13. 3. Transferência de calor por
convecção
3.1 Convecção  É um processo que
consiste em dois mecanismos que operam
simultaneamente.
Um é devido ao movimento molecular, ou
seja condutor (difusão).
O outro é devido ao movimento
macroscópico, um grande número de
moléculas que se movimentam por
atuação de uma força externa ou devido
ao empuxo (advecção).

14. 3.2 Tipos de Convecção
Natural ou Livre - O gradiente de temperatura
ocasiona uma diferença de densidade e há a
movimentação do fluido.
Contração térmica T V 
Dilatação térmica  T V 
T – temperatura , V – volume
 - massa específica (Kg/m3)

15. Forçada - O movimento do fluido é causado pela
atuação de uma força externa sobre o sistema.
Ex: uso de bombas, ventiladores ou sopradores.

16. 3.4 Lei de Newton do resfriamento
q = hA (Ts - Tꝏ) ou q” = h (Ts - Tꝏ)
q  fluxo de calor (W) - q”  fluxo/área (W/m2)
A  área da superfície em contato com o fluido
Ts  temperatura da superfície
Tꝏ  temperatura do fluido
h  coeficiente de filme ou de convecção

17. O coeficiente de filme depende das
condições existentes na camada limite,
como propriedades do fluido (, , k, Cp,
, v, ...): características do escoamento
(interno ou externo); posição e geometria
da superfície, temperaturas etc.
Somente em condições bem simples é que
podemos determinar analiticamente o h,
geralmente é determinado experimentalmente.

18. Processos de Convecção
FIGURA 1.5 Processos de transferência de calor por convecção. (a)
Convecção forçada. (b) Convecção natural. (c) Ebulição. (d) Condensação.

19. Coeficientes médios de convecção:
(W/m2K)
Convecção Livre : Gases 2 - 25
Líquidos 50 - 1000
Convecção Forçada: Gases 25 - 250
Líquidos 50 - 20.000
Ebulição / Condensação : 2.500 - 100.000

20. 4. Transferência de calor por
radiação
4.1 Radiação Térmica  É a energia térmica
emitida pela matéria que se encontra a uma
temperatura diferente de zero. A emissão pode ser
atribuída as modificações das configurações
eletrônicas dos átomos ou moléculas que a
constituem.
A energia de radiação é transportada por
ondas eletromagnéticas (ou for fótons).

22. G = Irradiação (incide)
E= Poder de emissão (emite)
FIGURA 1.6 Troca por radiação: (a) em uma superfície e (b) entre uma
superfície e uma grande vizinhança.

23. Em muitas aplicações é conveniente expressar a
troca líquida de calor por radiação na forma
na qual, em função da Equação 1.7, o coeficiente
de transferência de calor por radiação hr é
Logo para o balanço da figura 16.b, temos

24. 5. Conceito de resistência térmica
Os três modos de transferência de calor
foram apresentados nas seções anteriores.
Como fica evidente a partir das Equações
1.2, 1.3 e 1.8, a taxa de transferência de
calor pode ser representada na forma

25. Sendo

26. Exemplo: considere regime estacionário no sólido
abaixo.
Ti > Tp > T∞
Balanço : qcond = qconv + qrad
( )
( )
−
−
= − + −

kA
T T
x
hA T T A T Tviz
2 1
2 2
4 4
( ) 

27. 6. Conservação de Energia Total: Primeira Lei da
Termodinâmica em um Intervalo de Tempo (Δt)
FIGURA 1.8 Conservação da: (a) energia total em um sistema fechado durante
um intervalo de tempo, e (b) energia térmica e energia potencial em um
volume de controle em um instante.
ΔEtotal
acum= Q-W

28. FIGURA 1.7 Componentes da energia total. A soma da energia
térmica e da energia mecânica, E, é de interesse do campo da
transferência de calor

29. Exemplos
Exemplo 1.2 – Mecanismos combinados
Exemplo 1.3 – Conservação de energia
Exemplo 1.4 – Conservação de energia
Exemplo 1.6 – Mecanismos combinados e
conservação de energia
Exemplo 1.8 – Balanço na superfície.