Mod 5 transferencia-de-calor-vs 2013-2014

Curso de Química Tecnológica
. Técnico de Análise Laboratorial
. Técnico Fabril
Disciplina:
. Tecnologia Química, 2º ano
. Módulo 5
1
Prof Fernando Sayal
Vs 2013/2014

Instalação da apresentação no computador
1. Criar a pasta no disco C C:transferencia-de-calor
2. Fazer o download do ficheiro Mod 5-TRANSFERENCIA-DE-CALOR-vs 2013-2014.7z
3. Guardar e descompactar o ficheiro nessa pasta (solicite a password)
4. Para visualizar as simulações , instalar Adobe Flash Player
(http://aihdownload.adobe.com/bin/live/install_flashplayer11x32_mssd_aaa_aih.exe)
5. Para visualizar algumas animações , instalar
( Adobe Macromedia Shockwave Player 12.0.3.133 )
2

Conteúdos
Introdução
A Calor e temperatura.
B Expansão térmica
C Instrumentos de medição de temperatura.
D Termodinâmica - lei zero
E Capacidade calorífica
F Mudanças de fase.
G Equação de um gás ideal.
H 1ª Lei da Termodinâmica.
I Mecanismo de transferência de calor.
Coeficiente de transferência de calor.
J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
K Máquinas térmicas e frigoríficas.
Rendimento de máquinas térmicas.
L Isolamentos térmicos – necessidade e tipos.
M Permutadores de calor.
N Torres de arrefecimento.
O Fornos.
3
tema

Objetivos da aprendizagem
• Compreender os conceitos básicos relativos à transferência de calor;
• Explicar os mecanismos de transferência de calor;
• Descrever o funcionamento dos Permutadores de Calor;
• Explicar o conceito de balanço energético;
• Identificar, nas áreas Industriais, a necessidade da utilização de permutadores térmicos;
• Identificar os parâmetros necessários à avaliação de eficiência de um permutador de calor.
4

Introdução
Na fase inicial deste módulo estudaremos a termodinâmica, que
envolve situações nas quais, a temperatura ou o estado físico
(sólido, líquido, gasoso) de um sistema muda, devido a
transferências de energia.
Por que a energia flui?
• Sempre que um corpo está a uma temperatura maior que a
de outro ou, inclusive, no mesmo corpo existam zonas a
temperaturas diferentes, ocorre uma transferência de
energia da região de temperatura mais elevada para a mais
baixa.
• As leis e os princípios que regem a transmissão de calor e as
suas aplicações, são de fundamental importância para os
diferentes ramos de Engenharia e suas áreas, nomea-
damente:
5

Metalúrgica processos pirometalúrgicos,
hidrometalúrgicos, fornos …
Química evaporação, condensação,
refinação, reatores …
Eletrotécnica cálculo de geradores e
transformadores …
Naval caldeiras, máquinas térmicas…
Civil aquecimento ambiental,
isolamento nas habitações …
Engenharia
Mecânica refrigeração de motores,
ventilação, ar condicionado …
Introdução
6

Introdução
7
• Importa assim ter conhecimento inicial de alguns
 conceitos,
 grandezas
 condições
associadas aos fenómenos de transferência de calor
entre corpos.
• Como em qualquer estudo, é importante delimitar e
caracterizar o que estamos realmente a estudar.
• Temos assim o conceito de sistema físico que é
precisamente uma região macroscópica do Universo,
com uma determinada dimensão e sobre a qual recai
o nosso estudo.

SISTEMA
UNIVERSO
VIZINHANÇA
Sistema: Parte do Universo
que está em estudo
Vizinhança : Região do
espaço exterior ao sistema
Universo: União sistema
com a vizinhança
Introdução
8

Vizinhança
(exterior)
Sistema
ISOLADO
Sistema
ABERTO
Sistema
FECHADO
Sistema Aberto: “ Há trocas de energia
e matéria com o meio exterior”
Sistema Fechado: “Há troca de energia,
mas não de matéria”
Sistema Isolado: “ Não há trocas nem
de energia nem de matéria.
9
Introdução
energia
matéria

SIntetizando
Sistema: Parte do Universo que está em estudo e que se encontre numa dada região do
espaço rodeada por uma superfície real ou conceptual (fronteira).
Vizinhança do sistema: Região do espaço exterior ao sistema, que pode influenciar o
comportamento ou condição do sistema (pode ser isolado do sistema).
Universo: União do sistema com a vizinhança
Sistema Aberto: Há trocas de energia e matéria com o meio exterior (lata de refrigerante
aberta
Sistema Fechado: Há troca de energia, mas não de matéria (lata de refrigerante fechada
Sistema Isolado: Não há trocas nem de energia nem de matéria (garrafa térmica perfeita)
10
Introdução

• Condições normais de pressão e temperatura: Temperatura de 0ºC e pressão de 1
atmosfera (101 325 Pa).
• Condições ambientais de pressãoe temperatura: Temperatura de 25ºC e pressão de
1 atmosfera (101 325 Pa).
• Energia: Capacidade de produzir trabalho. Pode ser imaginada como a moeda de troca
para o trabalho.
• Trabalho: um dos mecanismos de transferência de energia, sendo o produto da força
aplicada pelo deslocamento provocado na sua direção
• Potência: Relação entre o trabalho executado (ou variação correspondente de energia) e o
tempo gasto
11
Introdução
Outros conceitos

A: Calor e Temperatura
Muitas vezes associamos o conceito de temperatura com a sensação de quão quente ou
frio está um corpo quando lhe tocamos.
Desta maneira, os nossos sentidos dão-nos uma indicação qualitativa da temperatura. No
entanto, eles podem enganar-nos.
Se estivermos descalços, com pé na carpete e outro na tijoleira, esta parece-nos mais fria
que a carpete, embora estejam à mesma temperatura.
Isto acontece porque a tijoleira transfere energia como calor (dissipa-a) a uma taxa maior
que a carpete. (mais adiante)
Então precisamos de aparelhos que meçam o estado térmico de um corpo com precisão e
que não se baseiem na taxa de transferência de energia, os Termómetros.
As temperaturas dos corpos A e B são iguais:
12
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19

Temperatura
Calor
Energia Interna
Equilíbrio Térmico
Medida da energia cinética interna média
das partículas de um corpo
Energia transferida entre dois corpos que
estão a temperaturas diferentes
Soma da energia cinética interna das
partículas (movimento ) com a energia
potencial resultante das interações entre elas
Estado em que dois corpos estão à mesma
temperatura, não se transferindo energia
como calor entre eles.
13
Portanto define-se:

calor
Temperatura A > Temperatura B
 Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contacto
térmico, ocorre transferência de energia como calor, do corpo a
temperatura mais alta (A) para o corpo a temperatura mais baixa (B).
A B
 O corpo A arrefece e o corpo B aquece
 Os dois corpos vão atingir o equilíbrio térmico, logo, a mesma
temperatura.
 O tempo necessário para se atingir o equilíbrio térmico depende das
propriedades dos corpos e das vias disponíveis para a troca de energia
14

Unidades de Energia
252
4,186
British Thermal
Unit (BTU)
Caloria (cal)
Joule (J)
1055
15

Vejamos algumas animações relativas aos seguintes conceitos:
Caloria
BTU
Zero absoluto
16

Por que alguém desenhou um pipeline com estas estranhas curvas?
17
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7
th edition, Part 3, cap 19
Expansão e consequente
deformação dos carris devido a
altas temperaturas num dia de
Julho em Asbury Park, New
Jersey, (AP/Wide World Photos)
http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=1335
Porque, transportando fluidos, as curvas permitem a expansão e a retração da tubagem com as mudanças de temperatura e
evitam-se assim roturas na tubagem.

Expansão (dilatação) térmica
 A dilatação térmica ocorre em corpos em que as suas dimensões (comprimento, área
ou volume) sofrem variações devido a variações de temperatura.
• O fenómeno assume especial importância em aplicações de engenharia. Por exemplo:
as juntas de expansão térmica em edifícios , auto-estradas de cimento,
caminhos de ferro, paredes e pontes,
para compensar as mudanças dimensionais que ocorrem com o aumento da
temperatura.
• Esta dilatação de um corpo é uma consequência do aumento da distância de
separação média entre os seus átomos ou moléculas constituintes.
• A temperaturas ambientes, os átomos num sólido oscilam em torno da sua posição de
equilíbrio, com uma amplitude de ~ 10-11 m e uma frequência de 1013 Hz.
• A distância média de separação dos átomos é de ~10-10 m.
18
B: Expansão Térmica

19
No termómetro
de líquido
quando a
temperatura
aumenta, o
volume
aumenta
Juntas de expansão térmica devem ser incluídas em edifícios, estradas,
trilhos de estrada de ferro e pontes para compensar a mudanças nas
dimensões que ocorrem com as variações da temperatura
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and
Engineers”, 7 th edition, Part 3
Junta de dilatação em pontes
Junta de dilatação vertical
numa parede

Expansão (dilatação) térmica linear
 A dilatação térmica linear, ou simplesmente dilatação linear, ocorre em corpos em que
o comprimento é a dimensão mais importante, como por exemplo, em cabos e vigas
metálicas.
 Por esse motivo, quando sujeitos a variações de temperatura, os corpos sofrerão,
principalmente, variações no comprimento.
 Essas variações estão diretamente relacionadas com três fatores:
 o comprimento inicial do objeto;
 o material de que ele é feito;
 a variação de temperatura sofrida.
20
http://blogdoprofessorcarlao.blogspot.com/
2008_09_01_archive.html
Vamos exercitar

21
Li , Ti
Lf , Tf
Um corpo tem um comprimento inicial Li à temperatura Ti
iLE tem um comprimento final Lf à temperatura Tf > Ti
TLL i
ou
ifiif TTLLL
α - coeficiente médio de expansão linear para um determinado material
com unidade o C -1
Esta equação tanto pode ser usada na expansão térmica quando a temperatura aumenta como na contração
térrmica quando a temperatura diminui.
Se a expansão térmica for suficientemente pequena comparada com as
dimensões iniciais do objecto, para uma variação de temperatura ΔT, o
comprimento aumenta Δ L numa relação de proporcionalidade direta.
Expansão térmica linear

22
substância
Coeficiente de
expansão linear
(α) em o C-1
aço 1,1 x 10-5
alumínio 2,4 x 10-5
chumbo 2,9 x 10-5
cobre 1,7 x 10-5
ferro 1,2 x 10-5
latão 2,0 x 10-5
ouro 1,4 x 10-5
Zinco 6,4 x 10-5
prata 1,9 x 10-5
vidro comum 0,9 x 10-5
vidro pirex 0,3 x 10-5
granito 0,8 x 10-5
plástico PVC 70 x 10-5
coeficiente médio de expansão linear de vários materiais
Para esses materiais, é
positivo. Significa um acréscimo
no comprimento com o aumento
da temperatura
Algumas substâncias como a
calcite, CaCO3 expandem-se ao
longo de uma direção, α>0 e
contraem-se ao longo de outra
α<0

Expansão térmica não linear (superficial e volumétrica)
 As dilatações superficial e volumétrica são aquelas em que prevalecem,
respectivamente, variações de área e de volume.
 Os fatores que influenciam a dilatação térmica nesses casos são os mesmos da
dilatação linear, ou seja: a dimensão inicial do material e a variação de
temperatura.
• Assim, as equações que determinam essas dilatações são muito semelhantes à
equação da dilatação linear, como se pode ver no quadro.
• É importante assinalar que os três coeficientes
apresentados se relacionam quando se trata
de um único material.
23
http://blogdoprofessorcarlao.blogspot.com/2008_09_01_archive.html

Expansão térmica superficial
24
TAAAA iif
Área
Coeficiente médio de expansão da área β=2
Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19
O aumento da temperatura do
disco provoca aumento das duas
dimensões, incluindo o raio do
orifício central

Expansão térmica volumétrica
25
substância
Coeficiente de dilatação
volumétrica (γ) em ºC-1
álcool 11,2 x 10-5
gases 3,67 x 10-3
gasolina 9,6 x 10-4
mercúrio 18,2 x 10-5
TVVVV iif
Volume
Ɣ=3Coeficiente médio de expansão do volume
Coeficiente médio de expansão volúmica de várias substâncias
a) a barra bimetálica deforma em
curva à medida que a temperatura
muda pois os dois metais têm
diferentes coeficientes lineares de
expansão.
b) O sistema pode ser usado como
termóstato para ligar/desligar
circuitos elétricos
Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”,
7 th edition, Part 3, cap 19

26
O Comportamento Invulgar da Água
Quando a temperatura aumenta de 0 C para 4 C, a água contrai-se e a sua densidade aumenta
Acima de 4 C, a água expande-se como com o aumento da temperatura diminuindo a sua densidade
A densidade de água alcança um valor
máximo de 1000 kg m-3 a 4 C
• Quando a água da superfície de um lago
congela, T=0 C,o gelo permanece na superfície
porque é menos denso do que a água líquida.
• O gelo continua formar-se na superfície,
enquanto a água mais próxima do fundo do
lago permanece a 4 C
http://trabalhodagua.blogspot.com/
Serway/Jewett,“PhysicsforScientistsand
Engineers”,7thedition,Part3,cap19
Vamos confirmar:

Exercícios: Dilatação Térmica
1. Explique porque razão a coluna de mercúrio inicialmente desce e depois sobe, quando um
termómetro é aquecido.
2. O espelho de pirex de um telescópio tem 200 polegadas de diâmetro. A temperatura no local
onde está instalado varia de -10 ºC até 50 ºC. Determine a variação máxima do diâmetro do
espelho. R= 0,00384 polegadas
3. Uma barra tem coeficiente de dilatação linear constante. Qual o gráfico que representa o
comprimento da barra em função da temperatura.
4. O comprimento de uma haste de alumínio é de 150 cm a 0ºC. Determine o seu valor a 250ºC
α(Al)= 0,0001 ºC-1 R= 150,09 cm
5. Sobre um anel de zinco de 5 cm de raio repousa uma esfera de aço de raio 5,005 cm, ambos
à temperatura de 0 ºC. Determine a que temperatura é necessário aquecer o conjunto para
que a esfera passe pelo anel. R: T~ 100ºC
6. α(Zn)= 22x10-6 ºC-1 α(aço)= 12x10-6 ºC-1
27

7- A variação do comprimento de uma barra metálica em função da temperatura é mostrada
no gráfico. Calcule o coeficiente de dilatação linear
R= 0,0001
8- Uma régua de aço foi graduada a 20ºC. Utilizando-se esta régua a 80 ºC na medida de um
comprimento, leu-se o valor de 60,00 cm. Qual o valor real do comprimento medido.
R: L=60,04 cm
9- Considere duas barras metálicas de comprimentos diferentes, á mesma temperatura e
coeficientes de dilatação linear iguais. Qual dos gráficos está correto?
L L L
T T T
10- Considere os valores β (vidro comum)= 0,000027 ºC-1 β (vidro pirex)= 0,0000096 ºC-1
A- qual o significado do valor 0,000027
B- qual o valor do coeficiente de dilatação linear do vidro
C- a temperatura de um corpo de vidro com 10 cm3 foi elevada de 100 ºC. Determine o aumento
de volume do corpo 28
L(m)
56
50
100 1300 T(ºc)

D- se em vez de vidro comum o corpo fosse de pirex, qual a dilatação.
E- explique a razão por que o vidro pirex é mais resistente ao calor que o vidro comum.
11- Uma chapa de aço de dimensões 1,5x2 m é aquecida de 20 ºC até 90 ºC. Qual a área final da
placa . α(aço)= 12x10-6 ºC-1
12- Um dispositivo eletrónico tem dois parafusos que quase se tocam, como mostra a figura,
sendo um de aço e outro de latão. A distância inicial de separação entre eles é de 5,0 µm a 27ºC.
A que temperatura se tocarão os parafusos? Assuma que a distância entre as paredes do
dispositivo não é afetada pela alteração de temperatura.
Resolução:
29

C: Instrumentos de medição de temperatura
32
http://www.cursodefisica.com.br
/termofisica/13-temperatura-
termometros.pdf
Termómetro Celsius
Anders Celsius

• A Temperatura é sem dúvida a variável mais importante nos processos industriais
• A sua medição e controlo, embora difíceis, são vitais para a qualidade do produto e a
segurança de máquinas e pessoas.
• Note-se que todas as características físico-químicas de qualquer substância se alteram de
forma bem definida com a temperatura.
• Assim sendo, uma determinada substância pode ter as suas dimensões, estado físico
(sólido, líquido, gasoso), densidade, condutividade, etc, alteradas pela mudança do seu
estado térmico.
• Então, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu
comportamento provocando, por exemplo:
 maior ou menor ritmo na produção
 uma mudança na qualidade do produto
 um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou do pessoal
 um maior ou menor consumo de energia
 um maior ou menor custo de produção.
33

• Os termómetros são dispositivos usados para medir a temperatura de um sistema.
• Baseiam-se no princípio de que algumas propriedades físicas de um sistema se alteram
quando a temperatura do sistema se altera.
• Algumas propriedades físicas que se alteram:
 O volume de um líquido
 As dimensões de um sólido
 A pressão de um gás a volume constante
 O volume de um gás a pressão constante
 A resistência elétrica de um condutor
 A cor de um objecto.
34

Termómetro comum (álcool ou mercúrio)
35
Propriedade física alterada: volume
Calibração:
0 ºC – numa mistura de água e gelo
em equilíbrio térmico à pressão
atmosférica
100 ºC – em água em ebulição à pressão
atmosférica
O nível do mercúrio sobe à medida que é
aquecido pela água no tubo

Termómetro de Gás a Volume constante
Propriedade física alterada: pressão de um volume constante
de gás
Calibração:
0 ºC – numa mistura de água e gelo em equilíbrio térmico
à pressão atmosférica, movimenta-se a coluna B
até que o topo do mercúrio na coluna A esteja no
zero da escala. A altura h indica a pressão do gás
P=Po+ ρgh
100 ºC – em água em ebulição à pressão atmosférica,
reajusta-se a coluna B até que o topo da coluna
A esteja no zero. (O volume do gás é assim
constante). Determina-se P.
Traça-se uma curva de calibração
36
O volume de gás no balão é
mantido constante subindo ou
descendo o reservatório B de
modo a manter constante o
nível de mercúrio na coluna A
Os dois pontos representam
temperaturas de referência
conhecidas (pontos de fusão e
ebulição da água)

Escalas de Temperatura mais comuns
37
• Escala Fahreinheit
é utilizada nos Estados Unidos e em
parte da Europa. Porém, a tendência é
de se usar exclusivamente nos
processos industriais de todo o mundo
a Escala Celsius.
• Escala Rankine e a escala Kelvin, que
são as escalas absolutas, são mais
usadas nos meios científicos, sendo que
atualmente usa-se quase que
exclusivamente a escala Kelvin.
http://www.automacaoindustrial.com/instrumentacao/temperatura/introducao.php
http://www.eletrodomesticosforum.
com/videos.htm

Correspondência entre escalas de temperatura
38
http://www.guia.heu.nom.br/escalas_de_temperatura.htm
http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap3/cap3-2.html
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/light_lessons/thermal/measure.html

C
5
F-32
9
K-273,15
5
F-32
9
===
Celsius Fahreinheit RankineKelvin
Com menos esforço:
Conversão de valores de temperatura
C,F,K R representam os valores da temperatura na respetiva unidade
R-491,67
9
39

Questão:
"em que temperatura o valor das escalas Celsius e Fahrenheit coincidem?"
Sugestão: resolver primeiro analiticamente.
Solução geométrica do exercício
Ajuda:
1. botão dirº do rato
2. reproduzir
40
http://www.stefanelli.eng.br/webpage/noindex/temperatura-escalas-celsius-fahrenheit.html

Curiosidades
41

ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA IPTS-68
42
• O Comité Internacional de Pesos
e Medidas adotou uma Escala Internacional
de Temperatura, a IPTS (Escala Prática
Internacional de Temperatura)
• A IPTS-68 foi definida em 1968,
e substituída pela ITS-90 (Escala Internacional
de Temperatura, de 1990)
• Baseia-se em alguns pontos fixos facilmente
reprodutíveis, que correspondem a
temperaturas de mudança de estado
física de algumas substâncias puras.
IPTS-68 Pontos Fixos Temperatura
/ ºC
Ponto triplo do hidrogénio -259.34
Ponto de ebulição do hidrogénio -252.87
Ponto de ebulição do néon -246.048
Ponto triplo do oxigénio -218,789
Ponto de ebulição do oxigénio -182,962
Ponto triplo da água 0,01
Ponto de ebulição da água 100,00
Ponto de solidificação do zinco 419,58
Ponto de solidificação da prata 916.93
Ponto de solidificação do ouro 1064.43
Fonte http://pt.scribd.com/doc/60501864/9/Escala-Internacional-de-Temperatura

Medição de Temperatura
• Existem vários meios e instrumentos de medição de temperatura, tais como:
• Termómetros de dilatação de líquido,
• Termómetros de pressão de gás e de vapor,
• Termómetros de dilatação de sólidos,
• Termopares,
• Termorresistores,
• Termistores,
• Pirómetros de radiação,
• Pirómetros ópticos.
43

Termómetros: Termopar
• Constituição:
Um termopar é constituído por dois fios eléctricos de
diferentes materiais que são ligados um ao outro numa
extremidade (ponto de medição). As duas extremidades
abertas formam o ponto de compensação ou referência
• A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de
compensação depende do material dos fios
termoelétricos e da diferença da temperatura entre o
ponto de medição e o ponto de compensação.
• Para medições da temperatura, a temperatura do ponto
de compensação deve manter-se constante (p. ex. 0 °C) ou
deve ser bem conhecida, no sentido de efectuar uma
correcção adequada em mV
44
http://www2.emersonprocess.com/siteadmi
ncenter/PM%20Rosemount%20Document
s/00809-0313-2654.pdf

Quando dois metais de natureza diferente têm as suas extremidades unidas e submetidas a
temperaturas distintas, ocorre uma força eletromotriz devido aos metais distintos possuírem
densidades de electrões livres específicos
Como estão unidos nas suas extremidades permitem a migração desses electrões do lado de
maior densidade para o de menor densidade ocasionando uma diferença de potencial entre
os dois fios metálicos.
45
http://www.dem.feis.unesp.br/maprotec/educ/mcm1/termopares-
dispositivos%20utilizados%20para%20medir%20temperatura.pdf

47
http://www.dem.feis.unesp.br/maprotec/educ/mcm1/termopares-
dispositivos%20utilizados%20para%20medir%20temperatura.pdf

Amplitude de utilização
 de -200 °C a 1000 °C
Vantagens dos termopares:
• Elevadas amplitudes de temperatura
• Tempos de resposta rápidos
• Design compacto
• Elevada resistência à vibração
• Estabilidade duradoura
• Elevada robustez
Setores de aplicação:
• Indústria química
• Indústria petroquímica
• Indústria farmacêutica
• Indústria da energia elétrica
• Engenharia mecânica
• Indústria de produtos alimentares e bebidas
• Indústria mineira
• Indústria metalúrgica e siderúrgica
• Indústria de cerâmica e vidro
48

Termómetro de Resistência (Termoresistências)
Princípio de funcionamento
• A medição da temperatura com termómetros de resistência
assenta na propriedade de todos os condutores e
semicondutores alterarem a sua resistência eléctrica em
função da temperatura
Estrutura
• A resistência sensível à temperatura – geralmente, platina –
é aplicada na forma de uma bobina de medição sobre um
suporte adequado.
• Esta bobina de medição é ou fundida em vidro ou embebida
numa massa cerâmica.
• No sentido de satisfazer as exigências modernas para
dimensões mais reduzidas e valores de resistência mais
elevados, são aplicadas sobre um substrato de cerâmica
camadas finas de platina em vez de fios
49
http://www2.emersonprocess.com/siteadmi
ncenter/PM%20Rosemount%20Document
s/00809-0313-2654.pdf

Amplitude de utilização
– de -220 °C a +900 °C (depende do tipo de material)
Vantagens
• Elevadas amplitudes de temperatura
• Resistência à vibração
• Elevada imunidade ás interferências electricas
• Estabilidade duradoura
• Elevada robustez
• Elevada precisão
 Mais preciso que o termopar
Sectores de aplicação:
• Indústria química
• Indústria petroquímica
• Indústria farmacêutica
• Indústria energia electrica
• Engenharia mecânica
• Indústria de produtos alimentares e bebidas
• Indústria mineira
50

termoresistências
51
http://www.alutal.com.br/industria/produtos/pdf/05-termoresistencias.pdf

Termómetro: Pirómetro de Radiação
• O pirómetro de radiação insere-se na classe dos medidores de temperatura de não-contacto,
mais especificamente, é um termómetro de radiação
• O termo “não-contacto” refere-se ao facto do sensor não necessitar de estar em contacto
físico directo como o objecto cuja temperatura se pretende medir, utilizando a radiação
emitida por esses meios/corpos
• Os corpos incandescentes emitem radiação, infravermelha, luminosa ou ultravioleta,
dependendo da sua temperatura.
• Mesmo à temperatura ambiente os corpos radiam energia não visível, mas infravermelha.
• Aplicam se quando a temperatura ultrapassa o limite de utilização dos termopares ou
quando outros fatores tornam a medição remota conveniente.
• Podem ser fixos, dedicados à medição de um processo, ou portáteis.
Distinguem se dois tipos de pirómetros:
52
http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP080
9/Instrumenta-Temperatura.pdf

Tipos de pirómetros:
Pirómetros ópticos
Operam a temperaturas acima de 500 / 600 °C, nas quais o material começa a emitir
radiação no espectro visível (incandescência), até uns 5000 °C
Pirómetros infra vermelhos
Cobrem a faixa aproximada de 0 °C até 4000 °C, captando a energia radiante no
espectro infra vermelho. Eventualmente abrangem também o espectro visível e o
início do espectro ultra violeta
Princípio de funcionamento
A lei de Stefan-Boltzman e o corpo negro
• Esta lei resulta das experiências de Josef Stefan e das deduções de Ludwig Boltzman, e
estabelece a relação entre a temperatura de um corpo e a energia térmica irradiada.
53

• Uma das formas de apresentar a lei
I = Intensidade da radiação emitida (energia irradiada ou emitida por unidade de
tempo e por unidade de área) (W m-2 )
ε= emissividade do corpo
σ = constante de Stefan-Boltzman = 5,6704 x 10 -8 W m-2 k-4
T = temperatura do corpo (°K )
• A emissividade é definida como a relação entre a energia irradiada pelo corpo num
determinado comprimento de onda e a energia que seria irradiada por um corpo negro
neste comprimento de onda, à mesma temperatura. Assim 0 ≤ ε ≤1
• O corpo negro é aquele que apresenta ε = 1, e é considerado padrão de emissão.
• Na prática alguns corpos têm comportamento muito próximo ao do corpo negro.
Quando isto não ocorre, as medições de temperatura baseadas na lei de Stefan-
Boltzman devem ser corrigidas em função da emissividade.
54
I= εσT4

• O corpo negro é um conceito ideal, que serve de padrão, em
relação ao qual as propriedades radiativas das superfícies reais
são comparadas
• Por definição, as suas propriedades são:
 Absorve toda a radiação que nele incide (qualquer
comprimento de onda)
 Emite toda a radiação permitida em função da sua
temperatura T.
 Para uma dada temperatura T e comprimento de onda
, nenhum corpo pode radiar mais energia que um corpo
negro.
• O corpo cinzento é semelhante a um corpo negro mas tem
inferior capacidade de emissão e absorção de
radiação, estando assim mais próximo de um corpo real
55
http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html

• A radiação térmica emitida pelos corpos é desprezível fora da faixa de 300 a 2000
nanómetros, dentro da qual a radiação entre 400 e 700 nanometros corresponde ao
espectro visível.
• Esta radiação não apresenta a mesma intensidade (I) em todos os comprimentos de onda (λ),
o que pode ser observado nas curvas de emissão espectral.
• A energia total emitida, para fins de determinação da temperatura, é dada pela área
delimitada pela curva
56
Espectro Visível
frequência: 400 THz a 750 THz
Comprimento de onda: 700 nm a 400 nm
http://www.notapositiva.com/resumos/fisicoqui
mica/dosolaoaquecimento.htm

O gráfico da figura abaixo é uma ampliação logarítmica
do gráfico à direita, na região visível do espectro,
indicada pelo círculo de linha tracejada.
- O resultado confirma, de forma fiel, o que se observa na
prática.
-No caso de um metal, a radiação emitida começa a ser
visível por volta de 500ºC com um vermelho escuro,
significando que a maior parte da radiação visível está na
faixa inferior (vermelho) do espectro visível.
-A curva correspondente mostra isso claramente.
-Com o aumento da temperatura, além da maior potência,
as curvas ficam cada vez mais "horizontais", ou seja, o
espectro emitido tende para uma distribuição mais
uniforme de cores, correspondendo à tendência para o
branco na observação.
prática.
-Entretanto, a simples observação visual não permite uma
determinação precisa da temperatura. No máximo, uma
avaliação aproximada sujeita a erros grosseiros.
57http://www.mspc.eng.br/fldetc/temperat_130.shtml

Algumas condições de escolha de pirómetros de radiação:
• O objecto a medir a temperatura está em movimento
• Está sob o efeito de campos magnéticos fortes (ex. aquecimento por indução)
• Ocorrem mudanças de temperaturas muito rápidas (ex. fundição, incineradora)
• Localização em posição inacessível (dentro de um recipiente)
• Temperaturas demasiado elevadas para um termómetro de contacto, i.e., superiores
a 1400ºC (p.ex. está dentro de um forno ou de uma fundição)
• Fisicamente inacessível para um termómetro de contacto
• Tem uma aparência translúcida ou encontra-se na fase gasosa (ex. gases de
• combustão)
• Requer medições de temperatura rápidas e frequentes.
58

Esquema genérico de um pirómetro de radiação
• Detetor de fotões: pode efectuar algumas centenas de milhar de leituras por segundo
controlados por microprocessador
• A radiação emitida pelo objeto atinge o sistema óptico do instrumento, que a conduz para
um ou mais detectores fotossensíveis.
• O detector converte a energia IV em um sinal elétrico que, por sua vez é convertido em um
valor de temperatura, que se baseia na equação de calibração do sensor e na emissividade
do alvo.
Gama de Temperaturas: 50 a 2000ºC
59
http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP0809/I
nstrumenta-Temperatura.pdf

Pirómetros
de Radiação
60
http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP0809/Instrumenta-Temperatura.pdf

Pirómetros de radiação
Vantagens
• Não há contacto físico directo
• Banda larga
• Medição relativamente independente da distância
• Tempo de resposta é excelente
• Elevado tempo de vida
• São de fácil manuseamento
Desvantagens
• Mais frágeis que os sensores eléctricos
• Escala não linear
• Não são adequados para temperaturas baixas
• Tem erro por absorção
• É necessário corrigir a emissividade
61

Pirómetro Ótico
Uma aplicação típica do pirómetro é a medição da temperatura de metais incandescentes.
Olhando pelo visor do pirómetro observa-se o metal, ajustando-se depois manualmente a
corrente eléctrica que percorre um filamento que está no interior do pirómetro e aparece no
visor. Quando a cor do filamento é idêntica à do metal, pode-se ler a temperatura numa
escala disposta junto ao elemento de ajuste da cor do filamento.
No instrumento acima a comparação é visual, e a precisão depende em parte da prática do
operador, sendo possível erro inferior a ± 5 °C.
A comparação também pode ser electrónica.
Encontram se modelos sofisticados, nos quais o olho do operador é substituído por um detetor e
a lâmpada padrão é empregada na calibração automática. O sistema incorpora um ajuste de
emissividade e é comandado por um microprocessador.
O foco pode ser automático e a objetiva pode permitir a variação do ângulo de captação
62
http://pt.scribd.com/doc/27141610/45/VIII-%E2%80%93-PIROMETROS-DE-RADIACAO

O pirómetro óptico é formado por um telescópio que contém um filtro, uma ocular e uma
lâmpada.
Através do telescópio é possível observar o filamento da lâmpada e comparar com a cor emitida
pelo sistema que estamos medindo.
Isto é possível porque o filamento da lâmpada está ligado a uma bateria, a um amperímetro e a
um reóstato que permite variar a corrente elétrica através do filamento e, portanto, a sua
luminosidade até igualá-la à do sistema
Assim teremos o valor da temperatura que está associada a valores da corrente elétrica.
63
http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/termo.htmhttp://www.mspc.eng.br/fldetc/temperat_130.shtml

Termómetro: Termistor
Um termístor, também designado por termocondutor ou termistância, consiste num material
semicondutor sensível à temperatura
Existem dois tipos de termistores
• NTC (Negative Temperature Coefficient) – termistores cujo coeficiente de variação da
resistência é negativo, isto é, a resistência diminui com o aumento da temperatura.
• PTC (Positive Temperature Coefficient) – termistores cujo coeficiente de variação da
resistência é positivo, isto é, a resistência aumenta com o aumento da temperatura.
• Um termístor é constituído por uma haste ou disco de
vários óxidos de manganésio, níquel, cobalto, cobre,
ferro e outros metais.
• Permite variações de temperatura compreendidas entre -40 ºC e 100 ºC.
64
ftp://ftp.cefetes.br/Cursos/EngenhariaEletrica/Salomao
/Instrum_Industrial/Aulas_2010_2/Termistor.pdf

Termistor
65
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/NTC_bead.jpg
http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-Termistor.html
http://www.ge-mcs.com/pt/temperature/ntc-thermistors/epoxy.html

aplicações
• Proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente eléctrica quando determinada
temperatura é ultrapassada.
• Medição de temperatura (em motores por exemplo), pois podemos com o termístor obter
uma variação de uma grandeza eléctrica em função da temperatura a que este se encontra.
• Controlar / alterar a temperatura em dispositivos eletro-eletrónicos , como:
alarmes, termómetros, "relógios", circuitos electrónicos de compensação térmica,
dissipadores de calor, ar-condicionado.
66
http://www.tecwaybr.com/prod04.htm
http://www.ge-mcs.com/pt/temperature/ntc-
thermistors/epoxy.html

Termómetro Bimetálico
• Os mais conhecidos termómetros bimetálicos baseiam-se
no efeito de dilatação .
• A dilatação/contração ocorre quando duas barras ligadas,
de metais diferentes são aquecidas ou arrefecidas,
ou quando uma corrente eléctrica as atravessar.
• O conjunto aquecerá de forma desigual, o que resultará
em diferentes dilatações que irá produzir um arqueamento da barra.
• Para isso, constroem-se lâminas bimetálicas de forma espiralada que se curvam
conforme aumenta ou diminui a temperatura.
• Nesse movimento, a lâmina arrasta um ponteiro que percorre uma escala
graduada.
• Se o registo for gráfico (rolo de papel em movimento), designa-se por termógrafo.
67http://eng.powsys.com.br/index.php?option=com_content&view=ar
ticle&id=76:termometros-bimetalicos&catid=52:ii&Itemid=68

• A lâmina biimetálica consiste numa chapa composta de duas folhas de metais diferentes
passadas no laminador a temperatura bastante elevada que faz com que elas adiram
fortemente uma à outra. Também podem as duas folhas ser justapostas e soldadas .
• Ao unirmos as duas lâminas metálicas que têm coeficientes de dilatação lineares a1,a2
muito diferente, a deformação provocada pelos diferentes alongamentos, ou contrações,
das partes sob a ação de uma variação de temperatura, pode ser usada para diversas
aplicações.
• À temperatura de repouso o conjunto está na
posição (1)
• Um aumento de temperatura provoca a flexão
uniforme no sentido do comprimento de modo
que o metal A, menos sensível às variações térmicas,
permanece no interior da concavidade (posição 2), ou seja, na face côncava.
• Uma diminuição de temperatura provoca a deformação inversa (posição 3) ficando o
material A (menor coeficiente de dilatação linear) na face convexa.
68
http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp

• Os materiais usados correntemente são ligas de ferro e níquel cujos coeficientes de
dilatação linear dependem da percentagem de níquel;
• se esta percentagem é de 36% obtém-se a liga INVAR com valor de α extremamente
pequeno (daí seu nome, invariável).
• O latão e o invar constituem um bom par para a lâmina bimetálica.
69

• As dimensões das lâminas bimetálicas dependem das características de robustez, de
sensibilidade e de rapidez requeridas para as suas diversas aplicações; a espessura é
geralmente compreendida entre 0,05 a 5 mm.
• Nos dispositivos com lâmina bimetálica uma extremidade da lâmina é mantida fixa e
é usado o deslocamento da extremidade livre para efetuar alguma ação.
• Tal deslocamento, eventualmente ampliado, pode ser transmitido a um indicador
móvel sobre uma escala graduada: o dispositivo, uma vez calibrado, constitui um
termómetro bimetálico (muito comum em tampas de fornos dos fogões a gás).
• É também frequente o uso de lâminas bimetálicas em aparelhos que efetuam
automaticamente a abertura e o fecho de um circuito elétrico, onde a comutação
pode ocorrer para valores preestabelecidos de temperatura. Eis uma ilustração para
um alarme contra incêndio:
70

• Aplicações típicas são constituídas pelos interruptores de pulsação automática
(intermitentes) nos quais o ligar e desligar de uma ou mais lâmpadas é comandado por
uma lâmina bimetálica aquecida por um resistor de resistência R em série com a lâmpada.
• Nas decorações de árvores de natal, uma das lâmpadas usa o próprio calor dissipado em
funcionamento para acionar um interruptor bimetálico, em série .
• Os termo-reguladores ou termostatos e os
interruptores automáticos de sobrecarga
funcionam sob este princípio das lâminas bimetálicas
71http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp

Termómetro Bimetálico
72
http://en-co.wika.de/upload/OI_53_54_55_Bimetal_Thermo_pt_13881.pdf

D Termodinâmica - lei zero
73
A lei zero da termodinâmica trata do equilíbrio térmico
http://hortaaporta.blogspot.com/2011/07/transferencias-de-energia.html

74
A termodinâmica trata das transformações da matéria nos seus
estados físicos mais comuns, sólido, líquido e gasoso
D: Termodinâmica e a lei zero
http://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/
estados-fisicos-materia.htm
http://www.novafisica.net/conteudo/cont-2-4.htm

75
Plasma
(~0 K -108 K)
Matéria
degenerada
Gasoso
Líquido
Sólido
Superfluidos (< 2,17 K)
Condensado Fermiónico (~0 K)
Condensado de Bose Einstein (~0 K)
Afinal, quantos
estados físicos
há?

76
Estado gasoso
• As partículas que constituem os gases são consideradas esféricas e os diâmetros são muito
pequenos quando comparados com as distâncias entre elas.
• As forças de interação mútuas entre as partículas têm intensidades muito pequenas, pois
as partículas estão muito afastadas umas das outras e movendo-se ao acaso em todas as
direções (a distância entre duas partículas é, à escala humana, equivalente a duas pessoas
distanciadas 300 km).
• Este movimento caótico mantém o gás “espalhado” e distribuido uniformemente pelo
volume do recipiente onde está contido.
• Daniel Bernoulii (1700-1782) admitiu que a pressão exercida por um gás, podia ser
interpretada como sendo o resultados dos choques das partículas que o constituem contra
as paredes do recipiente onde está contido.
• Num recipiente fechado, se aumentarmos a temperatura, aumenta a energia cinética das
partículas, a sua velocidade, o número de choques e a pressão do mesmo.
• Os gases não têm forma nem volume próprios.

77
Estado líquido
• Nos líquidos, a agitação molecular é menor que nos gases, mas as forças de atrção mútuas
são maiores.
• As distâncias médias entre as moléculas mantém-se constantes.
• As moléculas mantêm-se ligadas mas deslizam umas sobre as outras o que permite que os
líquidos tomem a forma do recipiente onde estão contidos.
• Não têm forma própria mas têm volume constante (a uma dada temperatura)

78
Estado sólido
• Nos sólidos, as moléculas, átomos ou iões podem vibrar em torno de posições fixas de
equilíbrio e rodar em torno do seu centro de massa, mas não podem abandonar essas
posições.
• Alguns sólidos passam diretamente ao estado gasoso, como a cânfora, naftalina e iodo
quando aquecido.
• A sublimação mostra que, em alguns sólidos, as forças atrativas não são suficientemente
fortes para impedir que algumas moléculas se escapem.
• Têm forma própria e têm volume constante (a uma dada temperatura)

• A termodinâmica explica as principais propriedades da matéria e a correlação entre estas
propriedades e a mecânica dos átomos e moléculas
• O estudo da termodinâmica envolve
Conceitos de transferências de energia, entre um sistema e seu ambiente
As variações resultantes na temperatura ou mudanças de estados.
• Questões práticas tratadas pela termodinâmica
Como um refrigerador arrefece ?
Que tipos de transformações ocorrem num motor de carro?
Porque uma bomba de bicicleta se aquece enquanto alguém enche o pneu?
79

lei zero:
80
Se os corpos estiverem a temperaturas diferentes, a energia pode ser trocada
entre eles por meio de, por exemplo, calor ou radiação eletromagnética
No equilíbrio térmico os corpos em contato térmico trocam energia à mesma
taxa temporal, daí que nenhum dos corpos varie a sua temperatura
Diz-se que estão em contato térmico os corpos que podem trocar energia uns
com os outros desta maneira
Frequentemente associamos o conceito de temperatura com a sensação de
quente ou de frio de um corpo em que tocamos
A nossa pele é sensível à taxa de transferência de energia e não à temperatura
do corpo

81
Se forem colocados em contacto térmico um com
o outro, como na figura, não há nenhuma
transferência de energia entre eles
A Lei Zero da Termodinâmica (a lei do equilíbrio)
Se os corpos A e B estiverem separadamente em
equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B
estão em equilíbrio térmico entre si
A temperatura é a propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com
outros corpos
Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão na mesma temperatura
Se as duas leituras forem as mesmas, então A e B
estão em equilíbrio térmico um com o outro
Considere dois corpos A e B que não estão em
contacto térmico e um terceiro corpo C que será
o nosso termómetro

E Capacidade Calorífica
82
http://www.infoescola.com/fisica/calorimetria/

• Quando se fornece energia a um sistema, normalmente a sua temperatura aumenta.
• Como exceção temos os casos em que ocorre uma mudança de estado físico.
• Se o sistema consiste numa amostra de uma substância, a quantidade de energia necessária
para aumentar a temperatura de uma dada massa, varia de substância para substância.
• Por exemplo:
a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de água de 1°C é de 4186 J
a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de cobre de 1°C é de 387 J
• Na matéria a seguir vamos designar a energia transferida como calor , embora haja outros
métodos para aumentar a temperatura de um sistema.
Define-se :
Capacidade Térmica de um corpo como o calor necessário para aumentar a
temperatura desse corpo de 1 °C
Q= calor fornecido (J)
C= Capacidade térmica do corpo (J °C-1)
ΔT= variação de temperatura (°C)
83
Q=CΔT

Capacidade Térmica Mássica (ou calor específico) de uma substância como o calor
necessário para aumentar a temperatura da unidade de massa dessa substância
de 1 °C
m= massa da substância (kg)
c= Capacidade térmica mássica da substância (J kg-1 °K-1)
ΔT= variação de temperatura (°K) ou (°C)
O calor específico indica-nos essencialmente a maior ou menor sensibilidade térmica (variação
de temperatura) de uma substância perante a adição ou perca de calor.
Calor específico alto significa que é necessário mais calor para uma determinada subida de
temperatura
C (água)= 4180 J kg-1 °K-1 significa que é necessário fornecer 4180 J de calor a 1 kg
de água para que a sua temperatura se eleve de 1 °C, ou, o que é equivalente, há
libertação de 4180 J de calor quando 1 kg de água diminui a sua temperatura de
1 °K ou 1 °C
84
Q=mcΔT

Calor específico de substâncias a 25 °C e Pressão atmosférica
85

Calorimetria
• Uma técnica para medir o calor específico envolve o aquecimento de uma amostra a
uma temperatura Tx, colocando-a num recipiente contendo água de massa conhecida e
temperatura Tw < Tx, e depois medir a temperatura da água após o equilíbrio térmico ter
sido atingido Tf. Esta técnica denomina-se de calorimetria, e dispositivos utilizados para esta
transferência de energia são os calorímetros.
• Se o sistema formado pela amostra e água for isolado, o princípio da conservação da energia
implica que a quantidade de energia cedida pela amostra (de calor específico desconhecido)
é igual, em módulo, à quantidade de energia recebida pela água.
| Q fornecido |= |Q recebido |
- Q fornecido = Q recebido
- mx cx (Tf – Tx) = mw cw (Tf – Tw)
Tf = temperatura final de equilíbrio
86

F Mudanças de Fase (estado físico)
• Calor latente (ou entalpia) de fusão/vaporização
• Quando se fornece calor a um bloco de gelo a 0 °C , este funde mas a sua temperatura não
se altera permanecendo a 0 °C . Ocorre apenas uma mudança de estado físico ou de fase
Calor Latente de fusão Lf ou ΔHf é a quantidade de calor necessária para fundir
a unidade de massa da substância sem alteração de temperatura
Calor Latente de vaporização Lvou ΔHv é a quantidade de calor necessária para
vaporizar a unidade de massa da substância sem alteração de temperatura
m= massa da substância (kg)
L f / Lv = calor latente de fusão/vaporização de uma substância (J kg-1)
87
Q=mLf Q=mLv

Calores latente de Fusão e de Vaporização
88

89

Gráfico da Temperatura em função da energia fornecida quando 1,00 g de gelo a -30 °C é
convertida em vapor a 120°C
• Parte A: aumento de temperatura do gelo até 0 °C,
• Parte B: fusão da massa de gelo a 0 ° C
• Parte C : aumento da temperatura da água até 100 °C
• Parte D: vaporização da água à temperatura de 100 °C
• Parte E: aumento da temperatura do vapor até 120 °C
90
Serway/Jewett,“PhysicsforScientistsand
Engineers”,7thedition,Part3,cap20

Estados físicos
91

Exercícios: Calor específico, Condutividade térmica
1. A sensação de frio ou quente, quando se toca em vários objetos situados na mesma sala,
depende da capacidade térmica de cada um? Explique a causa dessa sensação, lembrando
que pbjetos metálicos nos parecem frios enquanto madeira ou tecido não.
2. Dois sólidos de massas diferentes, recebem iguais quantidades de calor a partir de uma
mesma temperatura inicial. A temperatura final dos sólidos é igual. Que se pode dizer acerca
das suas capacidades térmicas e dos seus calores específicos.
3. Aquece-se um líquido num recipiente. Para que haja economia na energia térmica
consumida e rapidez no aquecimento,
a. quais devem ser as principais características do material do recipiente?
b. As suas superfícies, laterais, superior e inferior, devem ter o mesmo polimento?
4. Dois corpos A e B, de massas iguais a 100 g, são aquecidos numa estufa. O gráfico mostra o
calor absorvido por cada um função da temperatura atingida.
a. O que representam as inclinações dos
gráficos. Calcule o valor de cada uma.
a. Qual o calor específico de cada corpo.
b. Se deixarmos os dois corpos arrefecerem
a partir da mesma temperatura até à
temperatura ambiente, qual dos dois
liberta mais calor.
R: a- capacidades térmicas; CA=20 cal/ºC CB=40 cal/ºC
b- 0,20 e 0,40 cal/g ºC c- o corpo B 92
Q(cal)
800
20 40 T(ºc)

Exercícios: Calor específico, Condutividade térmica
5. Tendo em conta que o calor específico da areia é pequeno, explique porque os desertos
são muito quentes durante o dia e muito frios à noite.
6. Um corpo à temperatura de 25 ºC e com a massa de 200 g e calor específico de 0,25 cal/g
ºC é colocado dentro de 500 cm3 de água á temperatura de 25 ºC. Qual a temperatura de
equilíbrio atingida. R= 15,9 ºC
7. Calcule o calor específico de um líquido a partir dos seguintes dados: 120 g do líquido são
colocados num copo de capacidade térmica 2,0 cal/ºC e o conjunto é aquecido a 100 ºC.
Colocou-se depois tudo dentro de um calorímetro de capacidade térmica 8 ,0 cal/ºC, que
continha 300 g de água a 13 ºC, resultando numa temperatura final de equilíbrio de 27,5 ºC
R: 0,5 0 cal/g ºC
8. Quando pegamos num bloco de gelo, algumas pessoas dizem que “passa frio do gelo para
a mão”. Comente esta afirmação
9. Os esquimós usam abrigos de gelo, os iglôs, para se protegerem do frio. Explique esta
situação, aparentemente ilógica.
10. Num frigorífico, o congelador fica na parte superior. Porquê? A temperatura nos
compartimentos inferiores é maior ou menor?
93

Atalhos:
D Lei zero da Termodinâmica
O Fornos.
94

G Equação de estado de um Gás Ideal
95http://www.geomeca.com/engidealgas.asp
Superfície PVT de um gás ideal

Gás ideal (perfeito)
• O modelo mais simples que se possa imaginar para um gás é o de ele ser constituído por um
grande número de moléculas que se encontram em movimento permanente e desordenado,
chocando entre si e com as paredes do recipiente.
• Existe um número muito grande de moléculas num volume macroscópico de gás.
• O volume ocupado pelas moléculas é negligenciável quando comparado com o volume do
recipiente.
• As moléculas estão separadas por distâncias médias grandes se comparadas com suas
próprias dimensões e estão em constante estado de movimento. Este movimento explica a
capacidade ilimitada de expansão de um gás.
• As moléculas são tratadas como partículas, semelhantes a bolas de bilhar rígidas, que
interagem elasticamente quando colidem.
• A velocidade do movimento das moléculas é considerada constante em módulo.
• A pressão de um gás resulta das forças de colisão exercidas pelas moléculas nas paredes do
recipiente por unidade de área da superfície do recipiente.
96
G: Equação de Estado de um Gás Ideal

Equação de estado de um gás ideal
• Verifica-se para este gás uma relação entre a pressão, o volume, a temperatura e a
quantidade de substância.
A relação entre as grandezas, PV=nRT não depende da natureza química das moléculas que
constituem o gás, isto é, gases diferentes como, oxigénio, O2, cloro, Cl2, metano
CH4, obedecem à mesma equação.
Se a densidade do gás for suficientemente baixa, todos os gases reais obedecem à equação de
estado dos gases ideais. A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressão atmosférica
comporta-se aproximadamente como um gás ideal
97
P Pressão Pa (Nm-2) atm
V Volume m3 l
N
Quantidade
de substância
mol mol
R
Constante dos
gases ideais
8,314
J mol-1 K-1
0,082
atm l mol-1 K-1
T
Temperatura
absoluta
K K

98
Vamos confirmar a equação dos gases ideais
1 desloque o êmbolo 2-clique na botija
clicar
http://www.zazzle.pt/lei_de_gas_ideal_t
_shirt-235165329835227320
Vamos treinar a
fórmula, os valores e
as unidades.

Lei de Boyle-Mariotte
99
A uma temperatura constante a pressão de
um gás é inversamente proporcional ao
volume.
• A temperatura do sistema permanece constante
(repare que o indicador de temperatura não se
move) e uma força externa exerce um trabalho
sobre o gás (aumenta o número de massas
sobre o pistão).
• Assim, enquanto o volume diminui a pressão
aumenta proporcionalmente. A massa do gás no
interior do cilindro permanece constante e na
mesma temperatura.
• Considerando um gás ideal, utiliza-se a equação PV=nRT para esta descrição.
• Repare que o termo nRT não se modifica quando a temperatura é constante (o número de
moles (n) não varia e R é, por definição, constante).
• Assim, para que o produto da pressão pelo volume permaneça constante é necessário que
a diminuição do volume seja compensado pelo aumento da pressão.

Lei de Gay-Lussac
A uma pressão constante o volume de um gás é
diretamente proporcional à temperatura.
• A um aumento na temperatura (repare o tamanho da chama e no indicador de
temperatura) corresponde um aumento proporcional no volume.
• Como a massa do gás permanece constante, isto é, não há entrada ou saída de gás do
interior do cilindro (partículas), a pressão também permanece constante. O aumento
do volume é consequência do aumento da agitação das moléculas do gás devido à
transferência de energia.
• Se for um gás ideal: PV=nRT e se a temperatura aumentar e a pressão permanecer
constante então o volume deverá aumentar proporcionalmente.
100

Simulador de Transformações Termodinâmicas
varie o volume, a quantidade química ou a temperatura de um sistema termodinâmico e
veja como as variáveis interferem umas nas outras e na pressão e trace a curva
correspondente num diagrama ajustável – clique no X
101
OBS: no slide seguinte encontra
a ajuda da simulação

• AJUDA AO SIMULADOR
• Neste simulador, poderá investigar a relação entre as variáveis termodinâmicas de um gás ideal durante as
transformações termodinâmicas, arrastando os atuadores e clicando nos cadeados.
• Clique no ícone ? e uma ajuda mostrará como pode interagir.
• Esta janela (transformações Termodinâmicas) contém explicações dos fenómenos que produzir e ajudará a
compreender os resultados. Ela pode ser movida, redimensionada e fechada.
• Há também cadeados que tornam as variáveis constantes (invariável) para que compreenda como elas interagem
com as outras.
• O ponto no diagrama percorrerá o espaço cartesiano; dica: é possível alterar as variáveis dos eixos. O bloco abaixo
do diagrama faz o ponto traçar o caminho que percorreu, para que compare os resultados etc.
• Os marcadores indicam a temperatura e a pressão do gás ideal no interior do cilindro grande.
• Com o cilindro pequeno pode variar a massa do cilindro grande.
• O dial aumenta ou diminui a intensidade da chama, adicionando energia às partículas do cilindro grande.
• São quatro as variáveis termodinâmicas que podem ser controladas:
• 1) volume: arrastando e soltando verticalmente o anel da haste do êmbolo do cilindro grande, alterando a altura da
câmara onde as partículas estão confinadas.
• 2) massa: arrastando e soltando verticalmente o anel da haste do êmbolo do cilindro pequeno altera-se o número
de partículas do cilindro grande
• 3) pressão: a força que o choque das partículas exerce nas paredes do cilindro varia em função do número de
partículas que atingem as paredes numa determinada unidade de tempo. Varia também e em função da velocidade
das partículas.
• 4) temperatura: é a medida da energia cinética média nas partículas de uma substância. Quando aumentamos a
temperatura, as partículas aumentam de velocidade, transportando mais energia, que é parcialmente transferida
quando atingem as fronteiras do cilindro.
• O autor: Eduardo J. Stefanelli
102

103

H 1ª Lei da Termodinâmica
104
TERMODINÂMICA
www.batista.xpg.com.br/listas/Termodinamica2%20.pps

Os construtores
da Termodinâmica
Qual o contributo de cada um?
E que tal investigar um pouco?
105
Sadi Carnot
1796 - 1832
James Joule
1818 - 1889
Rudolf Clausius
1822 - 1888
Wiliam Thomson
Lord Kelvin
1824 - 1907
Emile Claupeyron
1799 - 1864
H: 1ª Lei da termodinâmica

A Primeira Lei
 A essência da Primeira Lei da Termodinâmica pode ser formulada, de forma simples, nos
seguintes termos :
“Em todo o processo natural, a energia do universo conserva-se.“
• A variação de energia de um sistema é igual à soma de todas as transferências de energia
que ocorrem através da fronteira do sistema
106

A primeira lei descreve processos onde apenas ocorre variação da energia interna e
as únicas energias transferidas são na forma de calor e trabalho
W=P ΔV
W= trabalho realizado (J)
P= pressão exterior a vencer (Pa)
ΔV= variação de volume do sistema (m3)
W>0 trabalho realizado pelo exterior sobre o sistema (compressão)
W<0 trabalho realizado pelo sistema sobre o exterior (descompressão)
Q>0 calor fornecido ao sistema
Q<0 calor cedido pelo sistema ao meio exterior
www.batista.xpg.com.br/listas
/Termodinamica2%20.pps
107

“Caminho” descrito pelo sistema na
transformação .
Processos (Transformações) Termodinâmicas
P1
V1
T1
U1
P2
V2
T2
U2
Processos Durante a transformação
Isotérmico temperatura invariável
Isobárico Pressão invariável
Isovolumétrico volume constante
Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
P – pressão
T – temperatura
V – volume
U – energia interna
108
Variáveis de estado

Transformação cíclica
109

Transformação adiabática
110

Transformação isobárica
111

Transformação isotérmica
112

• Diagrama de um sistema termodinâmico
típico: uma máquina térmica cíclica.
• Parte da energia admitida - oriunda de
uma fonte quente (em vermelho, à
esquerda) - é convertida em trabalho
(movimento) - neste caso, por uma série
de pistões.
• Contudo, nas máquinas cíclicas não se
pode converter toda a energia oriunda
da fonte quente em trabalho, havendo
necessariamente uma quantidade
mínima de energia rejeitada a uma fonte
fria (em azul, à direita).
113

I Mecanismos de transferência de energia
Modos de transferência de calor:
radiação nas mãos,
condução na tenaz
convecção no ar, o qual aquece
ao percorrer o interior do tubo
do recuperador de calor.
114
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=248&Itemid=422

I: Mecanismos de transferência de energia
• O calor pode ser transferido entre sistemas por três mecanismos:
Condução
Convecção
Radiação
Condução:
• Mecanismo à escala atómica envolvendo partículas microscópicas (átomos, moléculas,
electrões)
• A transferência de energia dentro do corpo ocorre quando partículas mais energéticas, com
maior grau de vibração, colidem com partículas de menor energia.
• Ocorre normalmente em sólidos, mas também em líquidos e gases
• Imagine a seguinte situação: segure uma barra metálica e coloque uma das extremidades
numa fonte de calor (uma chama, por exemplo).
Em pouco tempo a outra extremidade da barra
estará quente e não a
conseguirá segurar.
115
http://www.colegioweb.com.br/fisica/transmissao-de-calor-e-conveccao.html

• A taxa temporal de energia ou potência térmica (P) depende das propriedades do corpo e é
expressa pela
Lei de Fourier
Q= calor transferido entre as extremidades (J)
Δ t= tempo em que decorre a transferência (s)
P= potência térmica (W)
K= condutividade térmica da substância (W m-1 °C -1 )
A= área da secção reta do corpo (m2)
L= comprimento ou espessura do corpo (m)
Tq; Tf = temperaturas da face quente e da face fria (°C)
116
Tq
A
Tf
L
http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Berenice/aula3.html

• Condutividade térmica
• K sólidos > K líquidos > k gases - uma vez que as ligações atómicas são mais fortes nos
sólidos e a proximidade das partículas é maior que nos líquidos e, as destes, mais fortes que
as dos gases
117

Outras situações
118
Condução através de
dois painéis diferentes
em contacto. Em
regime estacionário, a
taxa de transferência
através do painel 1 é
igual à que atravessa o
painel 2
Condução de calor através
de uma barra uniforme e
Isolada de comprimento L.

119
 Outra grandeza interessante relacionada com a condutividade térmica é o
Coeficiente de transferência de calor U
 A relação entre a condutividade térmica e o coeficiente de transferência de calor é dada
por U=K/L
 Ela traduz uma relação da espessura do sistema com a característica térmica do material.
 É normalmente utilizada quando se tem um sistema composto por diversas camadas de
diferentes materiais e espessuras, permitindo assim a obtenção de um coeficiente global
de transferência de calor do sistema.
 O valor de U corresponde à quantidade de energia, sob a forma de calor, que passa num
segundo através de 1m² de superfície, quando a diferença de temperatura entre o interior e
o exterior do sistema é de 1 K
P = UAΔT
P= Potência térmica (fluxo térmico) (W)
U= coeficiente global de transferência de calor (W m-2 C-1 )
ΔT= diferença de temperaturas entre as faces exteriores ( C)

Material K (W/(m.K)
Diamante 2300
Prata 426
Cobre 398
Alumínio 237
Tungstênio 178
Ferro 80,3
Vidro 0,72 - 0,86
Água 0,61
Tijolo 0,4 - 0,8
Madeira (pinho) 0,11 - 0,14
Fibra de vidro 0,046
Espuma de
poliestireno
0,033
Ar 0,026
Espuma de
poliuretano
0,020
120
http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica
Material U
(W/(m2ºC)
Blocos de vidro 6,4
Vidro duplo 2,3 a 2,6
Vidro simples comum 6,2 a 6,4
Blocos cerâmicos 2 2,45
Cimento esp 12 cm, cerâmica 0,5
cm
3,58
Cimento simples esp 5 cm 5,5
Cimento simples esp 10 cm 4,4 a 4,7
Cimento simples esp 20 cm 3,7
Tijolos 2 furos circulares 2,43
Tijolos maciços 10x6x22 cm, esp
total 10 cm
3,7
Telhas de barro esp 1 cm c/ forro
de cimento esp 3 cm 2,24
Telhas de barro esp 1 cm sem
forro
4,55
Telhas de fibrocimento esp 0,7
cm c/forro de cimento esp 3 cm 2,25
http://www.mspc.eng.br/termo/trc_01E0.shtml

Convecção
• A convecção é o mecanismo da transferência de calor
que se observa nos fluidos, gases e líquidos.
• Ocorre devido a uma diferença de densidades no fluido.
• Este mecanismo de transferência de calor pode ser observado quando se usam
– Aparelhos de ar condicionado
– Aquecedores a óleo
– Frigoríficos
– Recuperadores de calor
– Aquecimento de água, etc
121
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Convection.gif

• Alguma vez, provavelmente aqueceu as mãos colocando-as por cima de uma chama.
• Nesta situação, o ar diretamente acima da chama é aquecido e expande. Como resultado, a
densidade do ar diminui e ele sobre. Este ar aquecido irá aquecendo as mãos à medida que
sobre.
• A energia é transferida por convecção quando é transferida pelo movimento de uma
substância quente.
O processo denomina-se:
Convecção natural quando este movimento resulta da diferença de
densidades, como o ar circundante de um aquecedor, de
um fogo ou o vento entre o mar e a terra.
Convecção forçada quando a substância aquecida é forçada a mover-se por
meio de uma bomba ou ventoinha, como nos sistemas
de aquecimento a ar ou água.
122

• Se não se verificassem as correntes de convecção seria
muito difícil aquecer, por exemplo, água.
• Quando água é aquecida num recipiente, as camadas
inferiores são aquecidas primeiro. Esta água expande-
se e sobe para o topo devido à diminuição da densidade
• Ao mesmo tempo, a água mais densa da superfície
desloca-se para o fundo do recipiente onde é aquecida.
• O mesmo processo ocorre quando uma sala é aquecida
por um aquecedor.
• Este movimento de fluido é denominado uma corrente
de convecção.
123
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Convection.gif

Radiação
Considere a situação:
• Um corpo quente é colocado dentro de um recipiente de vidro fechado a vácuo. Com um
termómetro colocado do lado de fora desse recipiente percebe-se que acontece variação da
temperatura do ambiente.
• É de se concluir que a transferência de calor, nesse caso, não aconteceu por condução ou por
convecção, pois esses processos só acontecem quando há meio material.
• Neste caso a transmissão do calor foi feita por meio de outro processo que se chama
radiação térmica. O calor que aquece a Terra todos os dias, chega até nós através do mesmo
processo.
Rever capítulo C: Instrumentos de medição de temperatura,
Item: Pirómetros de radiação
124

OPERAÇÃO DO PROCESSAMENTO TÉRMICO EM ALIMENTOS
OPERAÇÃO DO PROCESSAMENTO TÉRMICO EM ALIMENTOS
A historia da eliminação dos microrganismos nos alimentos preparados iniciou-se com Nicholas
Appert, um confeiteiro francês que colocou alimentos em garrafas de vidro, tapou-as com
rolha e aqueceu-as em água fervente. A maioria dos alimentos assim tratados não se
deteriorou e ele anunciou esta descoberta em 1810. Naquela época a microbiologia era
desconhecida e Appert foi incapaz de explicar por que o seu método era eficaz. Ele
acreditava que com a combinação do calor e a remoção do ar prevenia a tendência a
decomposição dos alimentos. Cinquenta anos depois, Louis Pasteur demonstrou que certos
microrganismos são responsáveis pela fermentação e decomposição dos alimentos.
OBJETIVOS DO PROCESSAMENTO TÉRMICO NOS ALIMENTOS
O tratamento térmico dos alimentos é necessário a fim de:
• Reduzir a flora microbiológica presentes nos alimentos,
• Evitar as alterações produzidas por microrganismos patogénicos.
Os quatro principais objetivos da aplicação dos tratamentos térmicos são:
• Destruir os microrganismos que podem afetar a saúde do consumidor,
• Destruir os microrganismos que possam alterar as propriedades dos alimentos,
• Desativar qualquer ação enzimática,
• Otimizar a retenção dos fatores de qualidade a um custo mínimo. 125

O tratamento térmico depende de:
• A resistência térmica dos microrganismos e enzimas presentes no alimento,
• O conteúdo inicial microbiano presente no alimento antes do tratamento,
• O pH dos alimentos,
• O estado físico do alimento (líquido, pastoso, pó, etc.).
A designação de tratamento térmico pode englobar todos os processos que têm como objetivo a
destruição dos microrganismos através da aplicação de calor. Estamos a referir a
pasteurização e esterilização, utilizados para a destruição microbiana presente nos
alimentos.
• Pasteurização: implica a destruição, por meio da aplicação de calor, de todos os organismos
em estado vegetativo, que iriam provocar doenças, ou a destruição / redução do número
daqueles organismos que iriam produzir alterações em determinados alimentos, com um pH
inferior a 4,6. Nestes alimentos apenas os microrganismos que se desenvolvem são os que
alteram os alimentos, mas que não são patogénicos ao homem.
126

• Esterilização: significa a destruição de todos os microrganismos e seus esporos viáveis, e que
podem causar doenças ao homem. Para isto, utilizam-se técnicas apropriadas por meio da
aplicação de temperaturas superiores a 100°C.
• A figura mostra o tipo de tratamento térmico nos diversos tipos de alimentos embalados.
Alimento 1 e 2: aquecimento por convecção
Alimento 3: aquecimento por convecção e também por condução
Alimentos 4 e 5: aquecimento por convecção
127
http://abgtecalim.yolasite.com/resources/Processamento%20T%C3
%A9rmico%20e%20Trocadores%20de%20Calor.pdf

128
http://www.uff.br/fisicoquimica/docentes/raphael/didatico/maquinaavapor.htm

Ciclo de Carnot
• Define-se ciclo de Carnot como um processo cíclico reversível que utiliza um gás perfeito, e
que consta de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, tal como é mostrado na
figura.
• Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro
francês e que tem funcionamento apenas teórico (ainda não foi possível criar uma Máquina
de Carnot).
• Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente,
permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria).
129
SADI CARNOT
French engineer (1796–1832)
http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica

• O rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que uma
máquina térmica pode ter trabalhando entre duas dadas
temperaturas, da fonte quente e da fonte fria ( o rendimento
nunca chega a 100%).
• Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um
sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias,
continuamente. Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade
de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente
convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte
fria (energia dissipada)
• Por exemplo, numa locomotiva a vapor, a caldeira representa a
fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de
calor. Parte dessa energia térmica, denominada energia útil, é
convertida em trabalho mecânico. A outra parte dessa energia,
chamada energia dissipada, é libertada para a atmosfera, que,
representa neste caso a fonte fria
130

O ciclo de Carnot
(a) No processo A a B, o gás expande-se
isotermicamente quando em
contacto com o reservatório à
temperatura Th.
(b) No processo B a C, o gás expande-se
adiabaticamente (Q=0).
(c) No process C a D, o gás é comprimido
isotermicamente quando em
contacto com o reservatório à
temperatura Tc < Th.
(d) No process D a A, o gás é comprimido
adiabaticamente.
A seta no pistão indica a direção do seu
movimento durante cada processo
131

132
Detalhando os processos do ciclo

133

134

135

• O rendimento térmico de um ciclo de Carnot pode ser expresso em função das temperaturas
absolutas
• Admite-se que uma máquina térmica funciona segundo um ciclo, no qual todos os processos
são reversíveis.
• Revertendo o ciclo, a máquina térmica transforma-se numa máquina frigorífica.
• Obs: no capítulo seguinte estudaremos melhor os conceitos de rendimento e eficiência das
máquinas
136
quente
fria
T
T
1η

Máquinas frigoríficas
• Segundo o postulado de Clausius, é impossível transferir
energia sob a forma de calor de forma espontânea, de uma
fonte fria para uma fonte quente. Para que tal aconteça, é
necessário fornecer trabalho ao sistema, e, nesse caso,
temos uma máquina frigorífica.
• As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou uma arca
congeladora, recebem trabalho (através da energia
eléctrica proveniente da rede eléctrica), e usam-no de
modo a retirarem energia sob a forma de calor do seu
interior, transferindo-a por condução para o exterior.
• Deste modo, o interior de um frigorífico encontra-se a uma
temperatura baixa, próxima de 0 ºC, enquanto que a parte
de trás de um frigorífico está normalmente a uma
temperatura superior à do meio ambiente onde se
encontra.
• O princípio de funcionamento de uma máquina frigorífica
encontra-se esquematizado na figura
137
http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=576&ordem=3

Exercício
a) Se TH = 1200 K e TC = 300 K, qual a eficiência térmica?
b) Se TH = 500 °C e TC = 20 °C e W ciclo = 1000 kJ, quanto é QH e QC em kJ?
c) Se η=60% e TC=4,4 °C, quanto é TH?
d) Se η=40% e TH=727 °C, quanto é TC?
Respostas:
a) 75%
b) b) QH=1610 kJ e QC= 610 kJ
c) 420,73 °C
d) 327 °C
139

Ciclo de Otto (motor a gasolina)
1 → 2 calor é transferido a volume constante
2 → 3 expansão adiabática; trabalho é realizado
3 → 4 calor é rejeitado a volume constante
4 → 1 o gás é comprimido adiabaticamente
%25gasolina
http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems/
closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html
140

2 → 3 calor é transferido a volume constante
141

Nesta animação um cilindro dotado de êmbolo é carregado e descarregado com massa, variando a força,
volume e pressão. Um bico de gás fornece energia térmica ao sistema, fazendo a função da explosão nos
motores de combustão interna. A curva característica do ciclo termodinâmico de Otto é traçada no diagrama
PV (Pressão x Volume).
Este ciclo termodinâmico está presente, por exemplo, em motores a combustão interna, que utilizam
combustíveis com alto poder calorífico e que queimam rapidamente (explosão), elevando a pressão no
interior do cilindro enquanto o volume permanece constante.
Um motor de automóvel movido a gasolina ou álcool funciona sob este ciclo.
142
http://www.stefanelli.eng.br/webpage/p_otto.html

Ciclo de Diesel
1 → 2 calor é transferido a pressão constante
%40diesel
http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems
/closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html
143

Ciclo de Diesel
2 → 3 calor é transferido a pressão constante
144

Nesta animação um cilindro dotado de
êmbolo é carregado e descarregado com
massa, variando a força exercida no gás em
seu interior, o volume e a pressão.
Um bico de gás fornece energia térmica a
este sistema, fazendo a função da explosão
nos motores de combustão interna. A curva
característica do ciclo termodinâmico
Diesel é traçada no diagrama PV (Pressão x
Volume).
Este ciclo termodinâmico está presente, por
exemplo, em motores a combustão interna,
que utilizam combustíveis que queimam
vagarosamente, empurrando o êmbolo e
expandindo seu volume, enquanto a
pressão no interior do cilindro permanece
constante. Motores estacionários movidos
a gasóleo funcionam sob este ciclo
145http://www.stefanelli.eng.br/webpage/p_diesel.html
Ciclo de Diesel

Atalhos
O Fornos.
146

K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna
147
Motor de automóvel, de 8 cilindros
Motor de automóvel, de 4 cilindros

• Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de
temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e
transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficiência.
• Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho,
transferindo, portanto, menos calor na fonte fria.
• As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão
térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico.
• Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas
máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se,
deslocando o pistão e realizando trabalho.
• Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, todas recebem calor de uma fonte
quente (reator nuclear, coletor de energia solar, fornalha a combustível, etc), rejeitam
o calor que não foi usado para um reservatório chamado fonte fria e funcionam por
ciclos.
• As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam
normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de
trabalho.
148

Um pouco de história
• 530 AC: Teodoros (Grécia) - criou o aquecimento central do templo de Diana usando o
pode de expansão do ar quente.
• 280 AC: o engenheiro Philon de Bizâncio descreveu um aparelho que demonstrava a
relação entre a expansão do ar e a variação de temperatura, que é considerado como o
precursor do termómetro.
• 20 DC: engenheiro grego Heron de Alexandria descreve num livro seu um dispositivo
semelhante ao de Philon, bem como apresenta, também, a descrição de uma máquina a
vapor – a Eolípila (do latim Aeolipyla, que significa “porta de Eola”) -, isto é, uma esfera
oca com dois tubos recurvados e presos na mesma. Fervendo então a água contida na
esfera, o vapor de água resultante, ao escapar pelos tubos, fazia a mesma girar.
• 1615: o engenheiro francês Salomon de Caus (1576-1626) publicou o livro intitulado Les
Raisons des Forces Mouvantes (“As Razões das Forças Moventes”) no qual descreveu um
sistema, baseado nas ideias de Heron, que poderia ser usado para elevar água por meio
do fogo.
• 1679: o médico e físico francês Denis Papin (1647-1712) inventou o digestor de calor
(hoje conhecida como panela de pressão) que era constituído por um tubo com uma
tampa apropriada que confinava vapor de água no interior do mesmo, até que uma alta
pressão fosse conseguida e, com isso, o ponto de ebulição da água aumentava
consideravelmente 149
http://www.cursodefisica.com.br/curiosidades/206-uma-breve-historia-das-maquinas-termicas

• 1689: Papin inventou uma bomba centrífuga, que era uma máquina a vapor destinada a
elevar água de um canal entre as cidades alemãs de Kassel e Karlshaven
• 1698: o inventor e engenheiro inglês Thomas Savery (1650-1715) desenvolveu um tipo de
máquina a vapor, que era um dispositivo que produzia vácuo pela condensação de vapor de
água. Tal dispositivo, ao ser ligado com um tubo longo e mergulhado no interior de uma mina
de carvão alagada, aspirava água devido à formação do vácuo. Por essa razão, esse dispositivo
(que foi patenteado) ficou conhecido como o amigo do mineiro.
• 1705: o inventor e engenheiro inglês Thomas Newcomen (1663-1729), aperfeiçoou a
máquina de Savery ao construir cilindros polidos nos quais pistões (êmbulos) se ajustavam. O
movimento de vaivém desses pistões devia-se, respectivamente, à expansão do vapor, já que,
por causa do resfriamento decorrente dessa expansão, havia a formação de vácuo e,
consequentemente, a pressão atmosférica baixava o pistão. No entanto, como a água
destinada a condensar o vapor esfriava também o cilindro, desse modo, grande quantidade
de calor era desperdiçada. Apesar dessa limitação, a máquina de Newcomen foi utilizada por
vários anos.
• 1763: A primeira máquina a vapor com dois cilindros foi projetada pelo mecânico e inventor
russo Ivan Ivanovich Polzunov (1728-1766), em 1763. Ela foi construída no dia 30 de maio de
1766, três dias antes de ele morrer. Registe-se que um modelo da máquina de Polzunov se
encontra no Museu de Barnaul, na Rússia, e que ainda hoje é colocada em funcionamento
(en.wikipedia.org/wiki/Ivan_Polzunov).
150

• 1765: o engenheiro escocês James Watt (1736-1819), contornou o problema da máquina de
Newcomen ao inventar o condensador – um dispositivo isolado para arrefecer o vapor de
água – e adaptá-lo à máquina de Newcomen. Em 1769, Watt patenteou a sua invenção e
começou a comercializá-la. Além disso, continuou o seu aperfeiçoamento.
• 1782: Watt abandonou o uso da pressão atmosférica para baixar os pistões, e passou,
então, a utilizar o próprio vapor para realizar essa tarefa. Desse modo, o vapor entrava
alternativamente nas duas extremidades do pistão, e este, portanto, tanto empurrava como
aspirava o vapor. Em vista disso, esse seu novo invento ficou conhecido como máquina de
ação dupla
• 1783; Watt introduziu a definição de cavalo-vapor (CV) *“horse-power” (HP)], ao usar um
robusto cavalo e mostrar que ele poderia elevar à altura aproximada de 1,20 m, um peso de
68 kg num segundo. Hoje, essa unidade de potência, no sistema Internacional recebe o
nome de watt, em sua homenagem.
• 1803: o general e engenheiro militar francês Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753-
1823) estudou o baixo rendimento das máquinas a vapor (5-7%) usando o conceito de
energia potencial.
151

• 1824: O estudo do rendimento da máquina a vapor iniciado por Lazare Carnot, em 1803,
foi retomado por seu filho, o físico francês Nicolau Léonard Sadi Carnot (1796-1832. Carnot
descreve uma máquina ideal, sem atrito, que realiza um ciclo completo, de modo que a
substância usada – vapor, gás ou outra qualquer – é levada de volta a seu estado inicial. Desse
modo, Carnot afirmou: - A potência motriz do fogo (calor) é independente dos agentes
utilizados para a produzir; a sua quantidade é determinada somente pelas temperaturas dos
corpos entre os quais, no resultado final, ocorre a transferência de calor. Nesse ciclo, mais
tarde conhecido como ciclo de Carnot, o calor era transformado em “força mecânica” e essa
transformação dependia apenas da diferença de temperatura absoluta entre a da fonte
quente (caldeira: TQ) e a da fonte fria (condensador: TF).
• 1825: uma aplicação prática da máquina a vapor, foi a locomotiva a vapor – a Active -
construída pelo engenheiro e inventor inglês George Stephenson (1781-1848). Com essa
locomotiva ele transportou, em 17 de setembro de 1825, pela primeira vez, 450 pessoas no
trajeto Darlington-Stockton, na Inglaterra, com uma velocidade de 24 km/h. Em 15 de
setembro de 1830, construiu uma nova locomotiva a vapor - a Rocket -, que desenvolvia uma
velocidade de 58 km/h, usada no trajeto Liverpool-Manchester.
• 1794: o engenheiro inglês Robert Street patenteou o primeiro motor de combustão interna
(MCI) que consistia num pistão ligado a um braço articulado que operava uma bomba de
água.
152

• 1826: o engenheiro inglês Samuel Brown patenteou o motor a gás
• 1838: o engenheiro inglês William Barnett construiu o primeiro motor de dois tempos (MCI-
2T) (“two-stroke”) usando uma bomba externa de ar e combustíve.
• 1860: o engenheiro francês Jean Joseph Étienne Lenoir (1822-1900) patenteou MCI-2T que
utilizava válvulas tubulares deslizantes e tendo o gás de iluminação como seu principal
combustível .
• 1862: o engenheiro francês Alphonse Eugène Beau de Rochas (1815-1893) patenteou o
princípio do MCI com um “ciclo de quatro tempos” (MCI-4T)
• 1876: o engenheiro alemão Nikolaus August Otto (1832-1891) construiu o MCI-4T proposto
por Beau de Rochas. Nesse tipo de motor, uma mistura de gás de carvão (usados nas
cidades) com ar era queimada formando gases quentes, que se expandem rapidamente e
empurram os pistões do motor, levando-os a mover-se em quatro tempos – o famoso ciclo
Otto.
• 1879: o engenheiro russo Ogneslav Stefanovich Kostovich (1851-1916) começou a
construir um motor Otto que funcionaria com combustível líquido leve, e que foi concluído
em 1883.
• 1883: Um outro tipo de máquina térmica foi construído pelo engenheiro sueco Carl Gustav
Patrik de Laval (1845-1913). Trata-se da turbina a vapor (de impulsão e de reação), que
atingia a velocidade de 42.000 rotações por minuto (rpm), e usada como desnatadeira
(máquina para tirar nata ou gordura do leite) 153

• 1885: o engenheiro alemão Gottlieb Wilhelm Daimler (1834-1900) patenteou o primeiro
MCI no qual usou vapor de gasolina em lugar de gás de carvão, cuja ignição, diferente da
chama permanente como Otto fizera, em 1876, era feita com um sistema de ignição
elétrica.
• 1892: o engenheiro alemão Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913) patenteou o hoje
famoso ciclo Diesel, no qual a temperatura e a pressão no cilindro de um motor Otto eram
mantidas constantes durante a combustão; desse modo, muito mais calor era assim criado
e que se transformava em energia. Um ano depois, em 1893, Diesel construiu o primeiro
MCI usando o ciclo que havia idealizado, usando, no entanto, óleo pesado em vez de
gasolina.
• Como conclusão, é interessante destacar que a fissão nuclear descoberta em 1938
substituiu o combustível (inicialmente sólido e depois líquido) para vaporizar a água nas
máquinas térmicas, resultando nas atuais centrais nucleares.
154

A primeira máquina a vapor
155
http://www.feiradeciencias.com.br/cientistas/watt.asp
James Watt
(1736 - 1819)

A máquina de Watt
156
http://viktor-aeradasmaquinas.blogspot.com/2010/09/o-escoces-james-watt.html

O vapor proveniente da caldeira entra (A) pela extremidade esquerda do cilindro,
empurrando-o para a direita.
O vapor que estava à direita escapa pela saída €. Uma válvula deslizante desloca-se
então para a esquerda, fechando a entrada de vapor e abrindo a entrada da direita.
Nesse instante o pistão recebe a pressão dessa nova entrada de vapor e desloca-se
para a esquerda. Um novo movimento da válvula deslizante permite a entrada de
vapor à esquerda e o ciclo se repete.
157
A máquina térmica de Watt deu origem a novos modelos mais aperfeiçoados, onde
se destaca aquele usado nas locomotivas a vapor.

Vídeos de motor a vapor (clique na foto)
158http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/Steam_engine_operating.ogv
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/St
eam_engine_in_Science_Museum_Power_gallery.ogvhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica

159
http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-a-vapor1.htm

http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/rankine.html
160

161

163
http://www.uff.br/fisicoquimica/docentes/raphael/didatico/maquinaavapor.htm
Funcionamento da locomotiva a vapor segundo um Ciclo de Carnot:. A cor rosa o "vapor vivo", procedente da
caldeira, entrando no cilindro. A cor azul o vapor exausto que escapa do cilindro.

Motor de combustão interna
O motor baseado no ciclo ideal
Otto caracteriza-se por ter uma
ignição por faísca. Este tipo é o
mais comum em automóveis de
passeio e motocicletas. Existem
processos alternativos em motores
experimentais para iniciar a queima
como o uso de microondas ou uma
injeção piloto.
164

Motor a Explosão
165

166
•Etapa de O para A: o pistão move-se para baixo, a mistura gasosa de ar e gasolina entra para o cilindro, à pressão
atmosférica, e o volume aumenta de V2 para V1. Assim, entrou energia para o sistema (interior do cilindro) sob a
forma de energia potencial química das moléculas de gasolina.
•Etapa de A para B: o pistão move-se para cima e comprime adiabaticamente (sem que hajam trocas de energia
sob a forma de calor) a mistura gasosa, do volume V1 para o volume V2. Deste modo, a temperatura da mistura
aumenta de TA para TB, e há a realização de trabalho sobre o gás.
•Etapa de B para C: a mistura gasosa está muito comprimida e encontra-se a uma temperatura superior à inicial,
ocorrendo então uma pequena descarga eléctrica que provoca a combustão da mistura gasosa . Durante o curto
espaço de tempo que dura esta etapa, a pressão e a temperatura no interior do cilindro aumentam rapidamente,
com a temperatura a aumentar de TB para TC. No entanto, o volume permanece praticamente constante devido ao
intervalo de tempo ser muito curto, logo, não existe trabalho realizado pelo sistema, ou sobre o sistema.
http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=578

167
• Etapa de C para D: os gases resultantes da combustão expandem adiabaticamente do
volume V2 para o volume V1. Esta expansão adiabática provoca a descida de temperatura
de TC para TD, sendo realizado trabalho pelo gás, ao empurrar o pistão para baixo.
• Etapa de D a A: a válvula de saída dos gases do interior do cilindro é aberta e a pressão
diminui num curtíssimo intervalo de tempo. Durante esse tempo, o pistão encontra-se
praticamente parado na posição mais baixa do cilindro, logo, o volume é constante e por
isso não há a realização de trabalho.
• Etapa de A a O: o pistão move-se para cima, enquanto que a válvula permanece aberta,
permitindo, assim, a saída dos gases resultantes da combustão. O volume diminui de V1
para V2, e a partir desse momento o ciclo volta a repetir-se.
http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=578

http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros.htm
170

http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros1.htm
171
4 cilindros em linha
6 cilindros em V 4 cilindros opostos

172

• O Ponto morto superior (PMS): é a posição do pistão onde se alcança o ponto máximo de
altura antes de começar a baixar.
• O Ponto morto inferior (PMI): é a posição mais baixa do pistão antes de começar a subir.
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/motors.html
173

174
http://techni.tachemie.uni-leipzig.de/otto/index_e.html
Clicar na figura

Motor a 2 tempos
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/dos_t.html
175
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Arbeitsweise_Zweitakt.gif

Motor a 2 tempos
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/dos_t.html
176

http://videos.howstuffworks.com/howstuffworks/40346-
the-stuff-of-genius-diesel-engine-video.htm
Vídeo Motor a diesel
Os motores Diesel caracterizam-se pela
ignição por compressão. O fluido de
trabalho (normalmente ar) é comprimido
sem ser misturado ao combustível e
quando o combustível é injetado no
fluido comprimido e quente, inflama-se.
As máquinas que impulsionam veículos
pesados como camiões, comboios e
navios, usualmente são baseadas no ciclo
ideal de Diesel, o que não se refere ao
combustível utilizado e sim ao ciclo
termodinâmico em que operam.
177

178

As turbinas a gás são máquinas
puramente rotativas, existem em diversas
formas construtivas, sempre contendo
três sistemas básicos: compressor, câmara
de combustão e turbina propriamente
dita. As características de cada projeto
são funções do meio de transmissão de
potência (por eixo ou jato de gases), dos
combustíveis utilizados, do porte, das
temperaturas de trabalho entre outras
variáveis.
Em relação às demais máquinas as
turbinas tem característica de ter a maior
densidade de potência, ou seja
capacidade por peso. Devido a isso, são
frequentemente empregues nos aviões.
Turbina a gás
http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_g%C3%A1s
180

Este conjunto opera em ciclo aberto, ou
seja, o fluido de trabalho (ar) é admitido à
pressão atmosférica e os gases de escape,
após passarem pela turbina, são
descarregados para a atmosfera sem que
retornem à admissão
A denominação turbina a gás pode ser
erroneamente associada ao combustível
utilizado. A palavra gás não se refere à
queima de gases combustíveis, mas, sim
ao fluido de trabalho da turbina, que é
neste caso a mistura de gases resultante
da combustão. O combustível em si pode
ser gasoso, como gás natural, gás
liquefeito de petróleo (GLP), gás de
síntese ou líquido, como querosene, óleo
diesel e até mesmo óleos mais pesados.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_g%C3%A1s
Compressor de 17 estágios
Câmaras de combustão
181

182
Descrição do funcionamento de uma
turbina Turbofan.
admissão: azul
compressão: rosa
combustão: amarelo
escape: vermelho
http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbinas_aeron%C3%A1uticas
O ar admitido na turbina passa pelo
compressor onde sofre um aumento
de temperatura e pressão.
Este ar comprimido é admitido numa
câmara de combustão, onde a sua
temperatura aumenta rapidamente
num processo isobárico.
À saída da câmara de combustão, os
gases quentes e a grande pressão são
direcionados para uma turbina,
normalmente de múltiplos estágios e
ligada ao compressor por um eixo.
Nela, parte da energia dos gases é
extraída para mover o compressor.
Os gases ainda saem com elevada
temperatura e velocidade de modo a
impulsionar o avião.

184
Interior da Turbina de um avião de passageiros

185
Fábrica Siemens – Berlim
Turbina a gás Siemens SGT5-8000H
Vídeos de turbinas (clicar na figura)
http://www.energy.siemens.com/br/en/power-generation/gas-turbines/sgt5-8000h.htm

Turbina industrial a gás
186
http://www.energy.siemens.com/br/pool/hq/energy-
topics/videos/Siemens_SGT100_Animation.swf
Turbina industrial a gás Siemens SGT-100, de
4,35 a 5,7 MW, para produção de energia, por
exemplo em plataformas petrolíferas
offshore
Siemens SGT-100 : animação com som real
(atenção ao volume) de turbina ( necessário
Adobe Media Player)
Vários vídeos

TURBINA A VAPOR
187

Turbina a vapor
A Turbina a vapor é um equipamento
que aproveita a energia térmica do
vapor e a transforma em energia
mecânica;
É um equipamento com boa eficiência
quando utilizado em condições de
projeto.;
Essa energia mecânica pode ser
utilizada para mover equipamentos
diversos;
Quando acoplada a um gerador, a
turbina permite a transformação da
energia mecânica em energia elétrica.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina
188

Turbina a vapor
• Vapor a alta pressão e a alta
velocidade incide sobre as
palhetas móveis
• Conversão de energia cinética
em mecânica
• Queda da pressão de vapor
implica diminuição da entalpia
associada
• Transformação da variação de
entalpia em energia cinética
http://www.metodoeventos.com.br/4eficienciaenergetica/downloads/2
3-05-2007/sala2/jay_milhomens.pdf
189

190
• Utilizam a Pressão de Vapor e a sua expansão nas rodas móveis
• O Vapor expande-se nas Palhetas fixas e nas rodas móveis
http://www.metodoeventos.com.br/4eficienciaenergetica/downloads/23-05-
2007/sala2/jay_milhomens.pdf
http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/2008/08/turbinas-a-vapor.pdf
Aro de consolidação, Disco rotor, e
Coroa de palhetas
Foto de uma secção de palhetas

O motor Wankel é uma variação de motor de
combustão interna que combina características de
turbinas a gás às de motores a pistão.
Apesar de operar com velas de ignição ao invés de
combustão contínua , como numa turbina não há
peças alternativas.
Motores do tipo Wankel oferecem, em relação aos
motores a pistão, as vantagens de produzir menos
vibrações, já que são puramente rotativos.
Possuem maior densidade de potência, ou seja, mais
potência do que um motor a pistão de mesma
cilindrada e necessitam de menos peças na sua
construção.
Como desvantagem, eles aquecem mais, geram mais
gases poluentes, têm maior manutenção dos
elementos de vedação e são de manufactura mais
complexa do que um motor a pistão. http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/frigo.html
191

192
http://www.youtube.com/watch?v=6BCgl2u
umlI&feature=related

O motor Quasiturbine foi patenteado
em 1996 e é uma variação do motor
Wankel.
Recebeu este nome pelo fato de seu
funcionamento contínuo ser quase
igual ao de uma turbina.
194

Máquina Frigorífica
Uma máquina frigorífica é um tipo de máquina
térmica geradora que transforma algum tipo de
energia, habitualmente mecânica, em energia
térmica para obter e manter num recinto uma
temperatura menor que a temperatura exterior.
A energia mecânica necessária pode ser obtida
previamente a partir de outro tipo de energia, como
a energia elétrica mediante um motor elétrico
http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica
195

A serpentina onde é
libertado o calor que é
retirado do
frigorífico, está situada
na parte posterior do
aparelho.
196

197
http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bac
h/tecind2/Tema_3/frigo.html
Uma máquina frigorífica deve conter, no mínimo, os
seguintes 4 elementos:
Compressor – é o elemento que fornece energia ao
sistema. O Fluido refrigerante chega no estado gasoso ao
compressor e é comprimido.
Condensador – é um permutador de calor onde se dissipa
o calor absorvido no evaporador (mais adiante) e a energia
do compressor. No condensador o fluido refrigerante muda
de fase passando de gasoso a líquido.
Válvula de expansão – o refrigerante líquido entra na
válvula de expansão onde reduz a pressão. Esta redução de
pressão é acompanhada por uma diminuição de
temperatura.
Evaporador – o fluido a baixa pressão e temperatura passa
pelo evaporador, que, tal como o condensador, é um
permutador de calor e absorve o calor do meio ambiente
onde está situado. O refrigerante líquido que entra no
evaporador transforma-se em gás ao absorver o calor.
Tanto no condensador como no evaporador a transferência
energética realiza-se na forma de calor latente.
Resumindo:
o evaporador absorve o calor do meio que queremos
arrefecer,
o compressor aumenta a pressão do refrigerante para
facilitar a condensação posterior e possibilitar a circulação
do fluido.
A válvula de expansão reduz a pressão provocando o
arrefecimento do fluido
Clicar em cada
etapa

198
Sistema de Refrigeração
Iniciar e Parar (botão dir. rato > reproduzir

199

bomba de
alimentação
Fonte quente T1
Fonte fria T2
água
condensador
Wcaldeira
válvula
expansão
adiabática
vapor
superaquecido
|Q1|
|Q2|
vapor frio
Máquina térmica
http://www.ifi.unicamp.br/~grad/f228/1S2011/aulas/F228_1S2011_Aula06.pdf 201

Fonte fria
T2
Fonte
quente T1
Motor
térmico
|Q1|
|Q2|
W
Máquina térmica
O diagrama ao lado representa o processo cíclico
de uma máquina térmica e T1>T2
210 QQWU
Como Q1> 0, Q2< 0 e W > 0
|||| 21 QQW
202

203
Fonte
fria T2
Fonte
quente T1
Motor
térmico
|Q1|
|Q2|
W
O rendimento de uma máquima térmica
absorvidocalor
executadotrabalho
Q
W
1
||
||
1
1
2
Q
Q )1(
Máquina térmica

válvula
Fonte quente T1
Fonte fria T2
Gás a alta pressão
Gás a baixa pressão
Compressor
W
Líquido a alta
pressão
Líquido a baixa
pressão
Condensador
Evaporador
|Q2|
|Q1|
válvulas
204

Fonte fria
T2
Fonte quente
T1
Refrige-
rador
|Q1|
|Q2|
W
O diagrama ao lado representa o processo cíclico
de uma máquina térmica e T1>T2
210 QQWU
Como Q1< 0, Q2> 0 e W < 0
|||||| 21 QQW
205

Fonte fria
T2
Fonte
quente T1
Refrige-
rador
|Q1|
|Q2|
W
O coeficiente de desempenho de um
refrigerador ou eficiência, K ou ε
fornecidotrabalho
absorvidocalor
W
Q
||
|| 2
||||
||
21
2
QQ
Q
)0(
206

Exercício
a) Se TH = 1200 K e TC = 300 K, qual a eficiência térmica?
b) Se TH = 500 °C e TC = 20 °C e W ciclo = 1000 kJ, quanto é QH e QC em kJ?
c) Se η=60% e TC=4,4 °C, quanto é TH?
d) Se η=40% e TH=727 °C, quanto é TC?
Respostas:
a) 75%
b) b) QH=1610 kJ e QC= 610 kJ
c) 420,73 °C
d) 327 °C
207

Rendimentos típicos de algumas
máquinas térmicas
208http://www.slideshare.net/dougbr/termodinmica-aula-1

209
http://www.greentime.pt/obras-em-casa/2011/08/isolamento-
termico-de-paredes/
http://www.prefal.com.pt

0- Introdução
• O isolamento térmico consiste em proteger as superfícies aquecidas, como a parede de um
forno, ou arrefecidas, como a parede de um refrigerador, através da aplicação de materiais
de baixa condutividade térmica (k).
• OBJETIVO: minimizar os fluxos de calor, quer por problemas técnicos
(segurança, evitar condensação), quer por problemas económicos
(economizar energia), ou ainda por critério de conforto térmico.
• FUNDAMENTO : normalmente, os materiais isolantes são porosos, e aprisionam o ar ( k =
0,02 kcal/h.m.ºC, quando parado) nas pequenas cavidades do material sólido, evitando sua
movimentação, e impedindo a convecção. Por isto, materiais porosos com poros pequenos e
paredes finas de materiais de baixo valor de k, ilustrados na Figura 1, resultam em bons
isolantes térmicos.
210
http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL
_Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf
L Isolamentos Térmicos
http://www.dem.uminho.pt/UCs/MEC/Energia_Amb_2/Reserv
adoEnergia_Amb_2/Textos/IsolamentoT%C3%A9rmico.pdf

211
1- Razões para fazer o Isolamento
O uso de isolamento não só limita o fluxo de energia. Várias razões podem ser
apontadas para se usar o isolamento, nomeadamente:
· conservação de energia;
· protecção pessoal e conforto;
· manutenção da temperatura a um valor constante;
· redução das variações de temperatura e flutuações;
· prevenção da condensação e da corrosão;
· protecção ao fogo;
· protecção ao congelamento;
· redução do ruído e vibração,
· estética.

212
2- Classificação dos Isolamentos Térmicos
Existem diversos tipos de isolamento disponíveis no mercado e, por vezes, a seleção do
tipo de isolamento mais adequado pode tornar-se um trabalho difícil. Contudo, é de
grande ajuda classificá-los em grupos para ter uma melhor perspectiva dos mesmos.
Os isolamentos exibem variações consideráveis na sua estrutura, mas podem ser
classificados em quatro principais grupos: isolamento fibroso, isolamento celular,
isolamento granular e isolamento reflectivo.
Isolamento Fibroso
Tal como o nome indica, o isolamento fibroso é composto por fibras de pequeno diâmetro
que preenchem um espaço de ar. As fibras podem ser orgânicas (lã ou pêlo de animal,
algodão, madeira, tecido, cana e fibras vegetais) ou inorgânicas (lã de rocha, fibra de vidro
e fibras cerâmicas).
Lã de rocha é muito usada em aplicações a altas temperaturas (até 1100 ºC).
Fibra de vidro é relativamente barata e é possível usar desde –30 até 450 ºC, dependendo
da estrutura interna e sua ligação.
Fibra cerâmica é um composto sílica-alumínio e pode ser usado para altas temperaturas
como 1750 ºC.

213
Isolamento celular
O isolamento celular é caracterizada por uma estrutura celular, feita de matérias celulares,
tais como: cortiça, espuma de plástico, vidro, poliestireno, poliuretano e outros polímeros.
Vidro celular é impermeável e não combustível e pode ser usado em interiores, exteriores
e subterrâneos numa gama de temperaturas de –180 a 650 ºC. As espumas de plástico
comuns, incluindo poliuretano, poliestireno e poli-isocianurato têm temperaturas de
serviço de 105 ºC, 135 ºC e 150 ºC, respetivamente.
Isolamento granular
Os isolamentos granulares são caracterizados por pequenos nódulos com vazios.
Silicato de cálcio, vermiculate e perlite são os melhores isolamentos celulares conhecidos e
não são combustíveis.
Perlite é um vidro de rocha vulcânica e pode ser usado para temperaturas na gama de 15 a
815 ºC.
Silicato de cálcio reforçado com fibras orgânicas e inorgânicas é moldado na forma rígida e
pode ser usado para temperaturas na gama de 15 a 815 ºC. O silicato de cálcio pode
absorver água quando molhado mas seca facilmente sem qualquer prejuízo no seu
desempenho.

214
Isolamento refletivo
Os isolamentos refletivos são baseados na reflexão da radiação térmica incidente numa
superfície através do uso de superfícies altamente reflectivas (baixa emissividade). O
isolamento reflectivo pode ser usado para minimizar o fluxo de calor por radiação, ou pode
ser usado como cobertura em superfícies expostas à radiação para combater tanto a
radiação como a condução.

3- Características de um bom isolante
• Baixo valor de k
Quanto menor o k, menor será a espessura
necessária para uma mesma capacidade
isolante. Apenas a título ilustrativo, a figura
mostra algumas espessuras (em mm) de
alguns materiais, baseados na mesma
capacidade de isolamento.
• Baixa capacidade higroscópica
Capacidade higroscópica é a propriedade do
material relacionada com a absorção de água.
A água, ao penetrar nos poros, substitui o ar,
aumentando o valor de K. (K da água é 25
vezes maior que o do ar)
Além disto, quando se tratar de isolamento de
ambientes cuja temperatura seja inferior a
10ºC, existe a possibilidade da água absorvida
passar para o estado sólido com consequente
aumento de volume, o que causará ruptura
das paredes isolantes. 215
http://www.dem.uminho.pt/UCs/MEC/Energia_Amb_2/Reserv
adoEnergia_Amb_2/Textos/IsolamentoT%C3%A9rmico.pdf

• Baixa massa específica
Em certas aplicações, um bom isolante precisa ser leve, de modo a não sobrecarregar
desnecessariamente o aparelho isolado, principalmente no caso de aviões, barcos,
automóveis, ou ainda no caso de forros ou outras partes de fábricas e edifícios onde o
material terá de ficar suspenso.
• Resistência mecânica compatível com o uso
De maneira geral, quanto maior a resistência mecânica do material isolante, maior será o
número de casos que ele poderá resolver, além do que apresentará menor fragilidade, o que
é conveniente nos processos de transportes e no tocante à facilidade de montagem.
• Incombustibilidade, estabilidade química, outros
Uma série de outras características serão necessárias, dependendo da aplicação a que o
material isolante se destina.
216

• Refletividade e Emissividade da superfície
Quando existe uma grande diferença de temperatura entre a superfície exposta do
isolamento e as superfícies vizinhas, a transferência de calor por radiação torna-se
importante. Nestes casos, a radiação pode ser minimizada usando um isolamento
revestido com uma superfície que tem alta reflectividade e baixa emissividade..
• Saúde e Segurança
Os isolamentos não devem colocar as pessoas em sérios riscos de saúde e segurança
quando expostos a eles durante o transporte, armazenamento, instalação ou
utilização. Saliente-se a toxicidade e a resistência ao desenvolvimento de fungos e
bactérias.
• Acústica
Os materiais isolantes têm vários graus de capacidade de absorção do som,
dependendo da sua massa específica, estrutura física e porosidade da superfície.
217

• Corrosão
Alguns materiais são corrosivos e podem provocar a corrosão das superfícies
metálicas nas quais estão instalados.
• Outras propriedades que podem ser importantes
 resistência à montagem;
 permanência;
 facilidade de montagem;
 acabamento;
 uniformidade dimensional;
 contracção;
 resistência a reacções químicas;
 resistência à combustão;
 retardamento ao fogo;
 carga de ruptura;
 força de compressão;
 capilaridade;
 reutilização;
 tamanhos e espessuras disponíveis,
 custo.
218

4. Materiais isolantes básicos
• O amianto é um mineral que possui uma estrutura fibrosa, do qual se
obtém fibras individuais. O amianto de boa qualidade deve possuir fibras
longas e finas e além disto, infusibilidade, resistência e flexibilidade.
• O carbonato de magnésio é obtido do mineral "dolomita", e deve a sua
baixa condutividade ao grande número de microscópicas células de ar que
contém.
• A sílica diatomácea é formada por pequenos animais marinhos cuja
carapaça se depositou no fundo dos lagos e mares.
• A vermiculite é uma "mica" que possui a propriedade de se dilatar em
um só sentido durante o aquecimento. O ar aprisionado em bolsas entre
as camadas de mica torna este material um bom isolante térmico.
219
http://www.ff.up.pt/toxicologia/monografias/ano0
304/Amianto/index.htm
http://www.calorisol.com/silica_diatomacea.htm
http://www.epa.gov/asbestos/pubs/verm.html
A maioria dos isolantes usados industrialmente são feitos de amianto, carbonato de magnésio,
sílica diatomácea, vermiculite, lã de rocha, lã de vidro, cortiça, plásticos expandidos,
aglomerados de fibras vegetais, silicato de cálcio.

• A lã de rocha ou lã mineral, assim como a lã de vidro,
são obtidas fundindo minerais de sílica num forno e vertendo
a massa fundida num jato de vapor a grande velocidade. O
produto resultante, parecido com a lã, é quimicamente inerte
e incombustível, e apresenta baixa condutividade térmica
devido aos espaços com ar entre as fibras.
• A cortiça é proveniente da casca de uma árvore e apresenta
uma estrutura celular com ar encerrado entre as células.
• Os plásticos expandidos e extrudidos (essencialmente
poliestireno e poliuretano). Durante a fase de fabrico dos
expandidos, sofrem uma expansão por ação de um gás ou
vapor, com formação de bolhas internas microscópicas.
220
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?opti
on=com_content&task=view&id=248&Itemid=422
http://www.apcor.pt/artigo/235.htm http://www.oms-mat.com/index.php?abrir=poliestireno_extrudido
http://www.cm-
santiagocacem.pt/Actualidade/galeriamultime
dia/Freguesia%20de%20S%20Francisco%20
da%20Serra/Forms/DispForm.aspx?ID=11

Quadro resumo
Material Forma Aplicação
Massa
volúmica
kg m-3
Condutividade
térmica
Wm-1K-1
Tempertura
utilização
ºC
Lã de Vidro
Manta, feltro,
placa, tubos
Construção civil,
ar condicionado,
tubagens
industriais
13 – 85
0.033 – 0.042
(0ºC a 50ºC)
-30 a +750
Lã de Rocha “ “ 21 - 180
0.030 – 0.220
(10ºC a 700ºC)
-200 a +800
Poliestireno
Extrudido
placa
Paredes,
coberturas,
telhados
< 85
0.028 - 0.044
(-40ºC a +40ºC)
-45 a +175
Poliestireno
Expandido
Placa, cilindro,
perlas
“ 10 – 25
0.033 – 0.047
(20ºC)
-45 a +175
Poliuretano Placas, spray
Câmara frigorifica
portas, janelas,
200 – 100 0.016 – 0.026 -200 a +130
Silicato de cálcio
Reforçado com
fibras
Tubagens,
equipamentos
200
0.052 – 0.067
(150ºc a 300ºC)
< 800

5- Formas dos isolantes
• Os isolantes térmicos podem ser adquiridos em diversas formas, dependendo da
constituição e da finalidade à qual se destinam. Alguns exemplos comuns encontrados são:
• Calhas
São aplicadas sobre paredes cilíndricas, e fabricadas a partir de cortiça, plásticos expandidos,
fibra de vidro impregnadas de resinas fenólicas, etc.
• Mantas
São aplicadas no isolamento de superfícies planas, curvas ou irregulares, como é o caso de
fornos, tubulações de grande diâmetro, etc.
222
http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf

• Placas
São normalmente aplicadas no isolamento de superfícies
planas, como é o caso de câmaras
frigoríficas, estufas, fogões, etc.
• Segmentos
São normalmente aplicados em tubulações de grande
diâmetro, tanques e equipamentos cilíndricos de grandes
dimensões, onde é difícil aplicar calhas pré-moldadas. Em
geral, são feitos a partir de silicato de cálcio ou lã de vidro.
Oferecem grande durabilidade e podem ser utilizados tanto
em ambientes internos quanto externos.
• Flocos
São normalmente aplicados para isolar locais de difícil
acesso, ou ainda na fabricação de mantas costuradas com
telas metálicas. São fabricados a partir de lãs de vidro e de
rocha.
223

• Cordas
São aplicadas no isolamento de registros, válvulas, juntas, cabeçotes, etc,
principalmente em locais sujeitos a desmontagem para manutenção
periódica.
• Papel
O papel de fibra de cerâmica é refratário, apresenta baixo peso, e é
processado a partir de uma mistura de fibras de sílica e alumina de alta
pureza em uma folha uniforme, altamente flexível. É fácil de manusear e
pode ser cortado rapidamente por uma faca, tesourão ou matrizes de
corte de aço comum. Sua flexibilidade permite que seja dobrado e
enrolado para adaptar- se às configurações mais complexas.
• Pulverizados
São aplicados no isolamento de superfícies com configurações irregulares,
ou ainda no preenchimento de vãos de difícil acesso.
• Pré-formados (moldados)
São peças especiais fabricadas conforme especificações e desenhos
solicitados pelo cliente, podendo apresentar uma variedade de formatos.
224

6- Cálculo de espessuras de isolamentos
O cálculo leva em conta as limitações de temperatura e questões económicas:
• Limitação da Temperatura
Tanto externamente (caso de um forno no qual a temperatura externa não deve ser maior
do aquela que causa queimaduras nos trabalhadores) quanto interiormente (como em um
recinto onde devemos ter a temperatura superior a de orvalho, de modo a evitar a
condensação e gotejamento de água), o cálculo da espessura isolante poderá ser feito
fixando as temperaturas envolvidas e calculando a espessura isolante necessária.
Como exemplo, o cálculo da espessura isolante Li de um forno, pode ser feito considerando
que a temperatura T4 da superfície é fixada por razões de segurança. Conhecendo-se as
temperaturas dos ambientes e os coeficiente de película dos ambientes interno e externo e
ainda as condutividades térmicas dos materiais das paredes, o cálculo pode ser feito
considerando as resistências térmicas entre T1 e T4
e entre T4 e T5, obtemos as seguintes expressões
para o fluxo de calor
225http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf

• espessura isolante mais económica
A medida que se aumenta a espessura de isolante de qualquer superfície, o regime de perda
de calor da superfície diminui, porém, aumenta o custo do isolamento.
A espessura mais económica do isolamento é aquela para a qual a soma do custo anual da
perda de calor e do custo anual do isolamento seja mínimo.
O processo de cálculo consiste em determinar as quantidades de calor perdidas
considerando a aplicação de várias espessuras de isolamento, obtendo-se a quantidade de
calor anual, considerando o tempo de utilização do equipamento. O valor do calor perdido
deve ser convertido em custo financeiro, considerando o custo da produção do calor.
A seguir, considerando o custo do isolamento nas várias espessuras calculadas, determinam-
se os custos anuais do isolamento desde que se considere o tempo de amortização em anos
para a instalação.
226

• Colocando num gráfico em abcissa a espessura do isolamento e em ordenadas o custo
anual, obtém-se uma curva decrescente para o custo do calor perdido, e uma curva
ascendente para o custo do isolamento. Evidentemente a soma dos custos (custo do calor
perdido mais custo do isolamento) resultará numa curva que deverá passar por um mínimo,
ou seja, para determinada espessura de isolante haverá um custo mínimo anual.
• A espessura ótima do isolante é aquela que
apresenta um custo total
( custo do calor perdido + custo do isolante )
mínimo, como pode ser observado na Figura
227
http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II
_-_Isolamento_Termico.pdf

M Permutadores de calor
228
http://zpi.ptfos.hr/proj_proc/lect3%5B1%5D.ppt

Permutadores de calor são equipamentos em que
dois fluidos com temperaturas diferentes trocam calor
através de uma interface metálica.
Esta troca térmica permite aquecer ou arrefecer fluidos de acordo com as necessidades do
processo industrial e/ou recuperar energia que seria perdida para o meio ambiente.
Neste processo de permuta térmica, pode haver ou não mudança de fase (condensação ou
vaporização) dos fluidos envolvidos
São designados de várias maneiras:
Caldeiras, condensadores,
evaporadores, permutadores
carcaça-tubos, etc
Têm diversas aplicações:
Ar condicionado, refrigeração, criogenia, centrais térmicas, indústria química,
indústria automóvel, energia solar, etc.
229
http://www.slideshare.net/dougbr/04-termodinmica
http://knol.google.com/k/orlando-costa/treinamento-para-inspetores-
de/12pcr2403lwd/2#
M Permutadores de Calor

Classificação geral dos permutadores quanto à Finalidade
230
Permutadores
(Finalidade)
Aquecimento
Aquecedor
(Heater)
Aquece um fluido
recebendo calor de
vapor de água ou fluido
quente
Reebulidor
(Reboiler)
Vaporiza um líquido
recebendo calor,
normalmente de vapor
de água
Gerador de
Vapor (Steam
generator)
Gera vapor de água
Arrefecimento
Arrefecedor
(Cooler)
Arrefece fluidos do
processo cedendo calor
para a água de
arrefecimento
Condensador
(Condenser)
Condensa vapores
cedendo calor para a
água de arrefecimento
Permuta
Intercambiador
(Exchanger)
Permuta calor entre dois fluidos do processo.
Aproveita energia de um fluido que precisa de ser
arrefecido e transfere para outro que necessita de
ser aquecido

Permutadores
(construção)
1 Casco eTubos
2 Tubo Duplo ou Bitubulares
3 Arrefecedor a ar
4 Placas
5 Espiral
Classificação geral dos permutadores quanto à Construção
231

Na escolha do tipo de permutador deve-se atender a alguns aspetos:
Características dos fluidos:
caudais,
pressões,
temperaturas dos fluidos
Custo do equipamento
Transferência de calor pretendida
Facilidade de manutenção
Facilidade de limpeza
Corrosão
232

Permutadores de Casco e Tubos (Shell and Tube)
Descrição geral
resumidamente, consiste num casco que
contém no seu interior um feixe de tubos.
Um dos fluidos passa pelo casco (fluido do
lado casco) e o outro passa pelo feixe de
tubos (fluido do lado tubos), sendo a troca
térmica realizada através das paredes dos
tubos do feixe.
233
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/1-5-permutadores-calor
Partes principais
Feixe de Tubos - é um conjunto de tubos
presos pelas suas extremidades a duas
placas, denominadas espelhos. O feixe
atravessa chapas metálicas denominadas
chicanas, colocadas espaçadamente entre os
espelhos, que permitem melhorar a troca
térmica pois aumentam o tempo de
residência e a turbulência do fluido que
passa no casco.
1

• Os tubos são fabricados de diversas ligas de materiais metálicos ferrosos e não ferrosos.
• O tipo de cabeça pode ser boleado (como o da figura), fixo ou flutuante.
• O tipo de casco pode ser de uma ou duas passagens, fluxo dividido por defletor, etc
234
Saída entrada
dos tubos no casco chicanas
Cabeça
espelho casco saída entrada nos
do casco tubos

Tubos dobrados em U
Para uso com cabeçotes de retorno. Deseja-se obter o maior número possível de tubos na secção
do casco e, ao mesmo tempo, prover espaço para a passagem do fluido no casco.
As chicanas podem ser de três tipos:
De orifícios anulares
Tipo disco e anel
Segmentadas
235
J. Carlos Lopes da Costa
http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856-
heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5

Casco e Cabeça (cabeçotes)
O casco, normalmente cilíndrico, é o invólucro do permutador, envolvendo o feixe de tubos e
o fluido que passa por fora destes (do lado casco).
O casco é fechado nas extremidades pelos cabeçotes, que formam com os espelhos câmaras
de entrada e saída do fluido do lado tubos.
Os cabeçotes são denominados de estacionário e de retorno, pois o fluido do lado tubos pode
ter mais de uma passagem, indo e voltando pelo feixe, e um dos cabeçotes teria a função
de promover o retorno do fluido.
Quando os dois fluidos percorrem o permutador na mesma direção, diz-se que estão em
cocorrente e, quando em direções opostas, diz-se que estão em contracorrente. Este
último é o fluxo normalmente utilizado.
No fluxo em contracorrente, a temperatura do fluido frio pode ultrapassar a menor
temperatura do fluido quente, o que não pode ocorrer no fluxo em paralelo.
O casco pode ser construído a partir de tubos até 24” de diâmetro nominal, ou de chapas
calandradas e soldadas a partir de 13” de diâmetro.
Fabricados normalmente em aço-carbono, também podem ser feitos em aço-liga e ligas de
alumínio, quando de tubo, e em aço-liga, ligas de níquel e ligas de cobre, quando de
chapa.
O casco possui dois ou mais bocais para entrada e saída do fluido do lado casco, e os
cabeçotes têm bocais para entrada e saída do fluido do lado tubos. Se um dos cabeçotes é
de retorno, então este não possui bocal.
Os bocais de entrada e saída ficam no cabeçote estacionário.
236

237
http://www.essel.com.br/cursos/material/03/CAP2.pdf

Escolha do fluido
não há regras fixas que estabeleçam que tipo de fluido deve passar pelos tubos. Deve-se
atender às melhores condições para o processo, ao menor custo e facilidade de manutenção
e limpeza.
De uma maneira geral, passam pelos tubos:
Fluidos mais sujos, com depósitos, sedimentos, catalisadores, etc. pois é mais fácil a limpeze
e remoção destes.
Fluidos mais corrosivos, pois é mais económico usar tubos resistentes à corrosão do que um
casco com a mesma característica e além disso, é mais fácil a substituição de tubos
furados que do casco.
Fluidos com maior pressão, pois o casco é menos resistente devido às suas maiores
dimensões.
Água de arrefecimento, pela facilidade de limpeza
Fluidos de menor caudal, pois o casco é maior permitindo maiores caudais
238

Permutador de Calor Casco e Tubo
(líquido-líquido; vapor/líquido-líquido)
239
http://www.fem.unicamp.br/~em524/Textos_Transparencias/CAP_7/aula-22.pdf
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4A
C/1-5-permutadores-calor

Permutador de Calor com Aletas (Compacto)
(líquido-gás; vapor/líquido-gás)
evaporador ciclo de refrigeração
240
http://www.fem.unicamp.br/~em524/Textos_Tran
sparencias/CAP_7/aula-22.pdf

241

Permutadores de Tubo Duplo ou Bitubulares
Descrição geral
São formados por dois tubos concêntricos. Um
fluido passa pelo tubo interno e o outro pelo anel
formado entre os dois tubos, em co-corrente ou
contra-corrente.
É o mais simples dos permutadores pela fácil
manutenção que envolve.
É usado em aplicações de pequena capacidade, para
caudais não muito grandes.
242
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/
1-5-permutadores-calor
http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-
101/1856-heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5
2

Arrefecedores a Ar
Descrição geral
Consistem em serpentinas de tubos com aletas
transversais e coletores nas duas
extremidades dos tubos.
O ar de refrigeração é fornecido por um ou mais
ventiladores, soprado (forçado) ou aspirado
(induzido) no sentido ascendente, passando
pelo feixe montado na horizontal. O
conjunto é instalado numa estrutura como
se vê na figura.
Tubos com aletas
243
http://www.nei.com.br/produto/2006/10/tubos+aletados+endesa+industria+mecanica+ltda.html
3

• Um tubo de calor com aletas, além de retirar calor como um tubo comum,
ainda possui um sistema de convecção forçada que otimiza o sistema de
retirada de calor, devido à grande área provocada pelas aletas
244

Permutadores de Placas
Descrição geral
Consistem em um conjunto de placas planas lisas ou com alguma forma de ondulações,
montadas em série.
Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, comparado ao trocador
tubular equivalente.
245
4

Os fluidos trocam calor, passando em contracorrente, alternadamente, pela sequência de placas.
Têm grande eficiência na troca térmica.
246
http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/TrocadoresdeCalor.pdf

Permutadores em espiral
Descrição geral
1- Consistem em duas longas chapas lisas enroladas em
torno de canais centrais, criando dois canais espirais
concêntricos. O fluido quente entra por um canal
central, percorrendo um dos canais elípticos até a
saída na periferia do casco. O fluido frio entra pela
periferia do casco, percorrendo o outro canal elíptico
até a saída no último canal central, trocando calor em
contracorrente.
Muito usados para fluidos viscosos ou sujos, como asfalto.
2- Consistem em uma ou mais serpentinas (de tubos
circulares) ordenadas numa carcaça. A transferência
de calor associada a um tubo espiral é mais alta que
para um tubo duplo. Além disto, uma grande
superfície pode ser acomodada num determinado
espaço utilizando as serpentinas. As expansões
térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é
muito problemática.
247
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/1
-5-permutadores-calor
5

Reebulidor
• São usados para vaporizar fluidos, normalmente em colunas de destilação de indústrias
química e refinarias, usando vapor de água.
• Vaporiza o líquido do fundo da coluna de destilção, o qual retorna à coluna para posterior
separação
248
http://en.citizendium.org/wiki/Reboiler
http://hidrowell.com/
http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/reboil.htm
http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/reboil.htm

Modelos de reebulidores e
permutadores em acrílico
249
http://www.bayporttechnical.com/static_models.htm
http://www.shellandtube.com/ourwork

250

251

252

Operação de um permutador
• No arranque, entra primeiro o fluido mais frio. Se o fluido mais frio está ligeiramente
quente, deixa-se o mesmo, então, entrar de forma lenta. Quanto mais quente o fluido,
mais lenta deve ser a sua entrada no permutador de calor.
• Na paragem, bloqueia-se primeiramente a entrada do fluido mais quente. Se isto não
for observado, podem ocorrer vazamentos nos tubos.
• Tanto no arranque como na paragem, os permutadores de calor devem ser aquecidos
ou arrefecidos lentamente. Isto é particularmente importante quando as temperaturas
de operação são elevadas. A rápida entrada de um líquido a alta temperatura pode
provocar desigualdades de expansão nos tubos, causando vazamentos nos mesmos e
deformação do feixe.
• Falhas no fornecimento de água de refrigeração podem trazer sérias consequências.
Quando o fluido a arrefecer é muito quente, a interrupção da água provoca um grande
aquecimento do equipamento.
• Se a água voltar então a circular, haverá um arrefecimento brusco do permutador. Esta
mudança rápida de temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas.
253

• Deve-se sempre drenar a água de um reebulidor ou aquecedor para evitar o fenómeno
denominado “martelo hidráulico”
• Este ocorre quando há água acumulada nos tubos do reebulidor. Abrindo-se a válvula do
vapor de água, este vai empurrar a água a uma grande velocidade até encontrar um
obstáculo, onde provoca um violento choque. Este impacto severo, o martelo hidráulico,
pode causar ruptura do material.
254

Manutenção/Limpeza do permutador
• A eficiência do permutador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operação são
acumulados, dentro e fora dos tubos, depósitos de sais (calcário), material oxidado, areias,
fibras vegetais, gorduras, micro organismos etc., prejudicando grandemente a troca de calor
e a perda de carga do fluido.
• O permutador de calor que durante a operação diminui sua eficiência deve ser inspecionado
e limpo quando for oportuno, durante a paragem da unidade, ou mesmo imediatamente,
caso seja necessário.
255
http://pt.wikipedia.org/wiki/Trocador_de_calor
Permutador de calor de uma central
termoelétrica contaminado com incrustações
Clique na fig. para aumentar

Tipos de limpeza
A
Limpeza Química
B
Limpeza Mecânica
C
Limpeza por Vapor
D
Limpeza por Água em contracorrente
256

A. Limpeza química
Consiste na circulação, em circuito fechado, de uma solução ácida com um inibidor de
corrosão. A solução desagrega os resíduos, e o inibidor impede o ataque do metal pela
solução. Após a limpeza, é feita a neutralização mediante tratamento com uma solução
alcalina fraca, seguido de abundante circulação de água.
B. Limpeza mecânica
com o permutador aberto, as camadas de gordura, lama e sedimentos podem ser removidos
dos tubos por meio de arames, escovas ou jatos de água a alta pressão. Se os tubos estão
entupidos por sedimentos muito agregados, então são usadas máquinas com capacidade
perfurante.
C. Limpeza por vapor
O permutador de calor é retirado de operação sem ser desmontado. Alimenta-se vapor pelo
casco e pelos tubos, de forma a entrar por um respirador e levar o material depositado por
um dreno. Este método é eficiente para remover camadas de gordura ou depósitos nos
tubos e no casco do permutador.
D. Limpeza por água em contracorrente
Para condensadores e arrefecedores que utilizam água salgada não tratada como fluido
refrigerante. O processo consiste em inverter o fluxo da água nos tubos, com o equipamento
em operação, possibilitando a remoção dos detritos presos aos tubos, através de dreno
apropriado.
257

Permutador
(escoamento)Contra-corrente
Co-corrente
Correntes cruzadas
Classificação geral dos permutadores quanto à configuração de escoamento
258

• Consoante a forma como se processam os escoamentos dos 2 fluidos os permutadores
podem ser divididos, conceptualmente, em:
► co-corrente - o escoamento dos fluidos faz-se na mesma direcção e no mesmo sentido;
► contracorrente - o escoamento dos fluidos faz-se na mesma direcção e em sentidos
opostos;
► correntes cruzadas - o escoamento dos fluidos faz-se em direcções perpendiculares.
• A posição das entradas e saídas num permutador influencia muito a troca de calor. Em dois
permutadores com entradas no corpo geometricamente semelhantes mas distintas em
relação ao sentido dos fluxos, a evolução de temperatura ao longo do trajeto do fluido nos
tubos é bastante distinta em cada um deles.
259
http://web.ist.utl.pt/luis.roriz/MyPage/permutadores.htm
Classificação geral dos permutadores quanto à configuração de escoamento

260

261

262

Tubo duplo ou Bitubular
263

Trocadores de calor com escoamentos cruzados
Aletado com ambos os
fluídos não misturados
Não-aletado com um fluído
Misturado e outro não-misturado
 A movimentação do fluído ocorre perpendicularmente ao outro. Se for aletada,
as aletas impedem a movimentação do fluído na direção (y) que é transversal à
direção (x) do escoamento principal, fazendo com que a temperatura varia em
função de x e y
 A natureza da condição de mistura pode influenciar significativamente o
desempenho do trocador de calor. http://www.ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/F2008/EP/Mater
ials4Students/Halko/HeatExchangerDesign.ppt
264

Perfil de temperaturas
• O perfil de temperaturas é diferente para os fluxos em co-corrente e contra-corrente.
• Num permutador em contra-corrente, pode conseguir-se que a temperatura do fluido frio
à saída seja superior à do fluido quente à saída
265

Classificação quanto ao arranjo do lado casco e lado tubos
266
Permutador 1x1
Um passo no corpo - uma passagem do fluido no corpo
Um passo nos tubos – uma passagem do fluido pelos tubos

267
Permutador 2x2
Dois passos no corpo – duas passagens do fluido no corpo
Dois passos nos tubos – duas passagens do fluido pelos tubos

268
Permutador 1x4
Um passo no corpo - uma passagem do fluido no corpo
Quatro passos nos tubos – quatro passagens do fluido pelos tubos

Responda: Permutador ? X ?
269

Princípio de dimensionamento dos permutadores
270
http://pt.scribd.com/doc/43924483/TCfichT06PC20-23
M: caudal mássico (kg s-1 )
T: temperatura (°C ou K)
Q: taxa de transferência de calor (W)
U: coeficiente global de transferência
de calor ( W m-2 K-1)
A: área total de transferência (m2 )
ΔTm : diferença de temperatura média
logarítmica
Q = UA ΔTm
2
1
21
ln
T
T
TT
Tm

Alguns valores do coeficiente global de transferência de calor
271

Um desafio: construção de um permutador
272

Limpeza química de permutador
273

Corrosão de permutador
274

Animação da construção de um permutador
275

Atalhos
O Fornos.
276

N Torres de Arrefecimento
• http://www.freefoto.com/preview/13-09-4/Cooling-Towers--2000MW-coal-
fired-Cottam-Power-Station--Nottinghamshire
277
http://cooling-tower.blogspot.com/

• http://www.armacan.com/evapco.html
278
WDC: Condensadores Evaporativos
Híbridos com Ventiladores Axiais de
Tiragem Induzida
ESWA: Torres de Arrefecimento
em Circuito Fechado com
Ventiladores Axiais de Tiragem
Induzida
AT: Torres de Arrefecimento Abertas
com Ventiladores Axiais de Tiragem
Induzida
LSWA: Torres de Arrefecimento
em Circuito Fechado com
Ventiladores Centrífugos
Tiragem Forçada
PMWA: Torres de Arrefecimento em
Circuito Fechado com Ventiladores
Axiais de Tiragem Forçada

Torres de arrefecimento
• As torres de resfriamento são equipamentos utilizados para o arrefecimento de água
industrial, como aquela proveniente de permutadores de calor, condensadores de centrais
elétricas , de instalações de refrigeração, etc.
• A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de
“enchimentos” de diferentes tipos, em contracorrente com uma corrente de ar frio
(normalmente à temperatura ambiente).
• No contato direto das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, principal
fenómeno que produz o seu arrefecimento.
• São unidades de arrefecimento em circuito aberto ou fechado.
279
http://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower

280
A água é um meio bastante eficaz e utilizado por grandes indústrias para absorver o calor
produzido nos processos industriais e retirá-lo dos mesmos.
Os sistemas utilizados , sendo a água o meio refrigerante são:
Sistema aberto
Sistema semi aberto ou de recirculação
Sistema fechado
Sistema aberto: é utilizado quando existe uma grande disponibilidade de água e a baixa
temperatura. A água é bombada da fonte (rio, lago, oceano) diretamente para os
permutadores, voltando novamente à sua fonte original (exemplo da central térmica EDP de
S. torpes)
Sistema semi aberto: é utlizado quando se necessita de um grande caudal de água mas há
limitações na sua disponibilidade (exemplo da Repsol)
Sistema fechado: é utilizado quando de pretende água a temperaturas menores ou maiores
que as conseguidas com os sistemas anteriores. A água é arrefecida ou aquecida
previamente antes de ser enviada para os permutadores de calor do processo (exemplo de
arrefecimento/aquecimento de máquinas)

281
http://web.ist.utl.pt/luis.roriz/MyPage/Equips_08.pdf
A classificação mais difundida e de maior importância é baseada na forma de movimentação
do ar no seu interior:
Tiragem natural
Tiragem mecânica forçada
induzida
em contracorrente – água e ar escoam em correntes paralelas e
em sentidos opostos
de correntes cruzadas – água e ar escoam em correntes
perpendiculares
Comparação entre os sistemas de tiragem mecânica forçada:
Nas torres de fluxo em contracorrente a água mais fria entra em contato com o
ar mais seco alcançando a máxima eficiência;
 Nas torres de fluxo cruzado o acesso aos elementos mecânicos e ao sistema de
distribuição é mais fácil;
 Nas torres de fluxo cruzado a entrada de ar pode abranger toda a altura da
torre, tendo como consequência torres mais baixas, reduzindo assim a potência de
bombagem da água a maior altura;
 Nas torres de fluxo em contracorrente existe menor risco de recirculação de ar.

282
Fluxo em Contra-corrente Fluxo cruzado
http://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower

283
Tiragem Natural (Torres atmosféricas)
Nesse tipo de torre a água cai em fluxo cruzado em relação ao movimento horizontal do ar,
produzindo certo efeito de contracorrente devido as correntes de convecção produzidas pela água
quente. O movimento do ar depende principalmente do vento.
Principais características:
 Alto tempo de vida com baixos custos de manutenção;
 Não se produz recirculação do ar utilizado;
 A torre precisa ser localizada num espaço amplo;
 Devido a sua altura é preciso uma ancoragem segura contra o vento;
 A torre deve ser orientada na direção dos ventos dominantes;
 A temperatura da água varia com a direção e a velocidade do vento;
 Não é possível atingir uma pequena temperatura de aproximação;
 O custo é quase tão alto quanto o de uma torre com elementos mecânicos.
Em relação a esse tipo de torre, pode-se distinguir entre as que não possuem enchimento e as
que possuem enchimento de respingo . Estas últimas possuem um comportamento muito
melhor que as anteriores, porém, em qualquer caso, as torres atmosféricas estão
ultrapassadas e constituem uma mínima parte das torres existentes.

284
Torres de tiragem natural

285
Torres de Tiragem Mecânica
A utilização de ventiladores para mover o ar através da torre proporciona um controle total da
entrada de ar. Podem ser de tiragem mecânica ou Induzida.
 Compactas, necessitam de pouca superfície;
 Controle fino da temperatura da água fria;
 Menor altura de bombeamento;
 A orientação da torre não é determinada pelos ventos dominantes;
 As falhas mecânicas reduzem bastante a confiabilidade;
 A potência de ventilação pode ser importante, aumentando os gastos de operação;
 A recirculação do ar usado deve ser evitada, pois a eficiência é afetada;
 Os custos de operação e manutenção são maiores que os das torres de tiragem natural;
 Os ruídos e vibrações produzidos pelos ventiladores podem constituir um problema,
dependendo da localização.

286
Torres de tiragem mecânica forçada
São torres nas quais os ventiladores são posicionados na entrada
de ar, de tal forma que forçam o ar através do enchimento.
Principais características :
 O equipamento mecânico encontra-se no nível do solo;
 É mais eficiente que a corrente induzida (apresentada a seguir), já que a velocidade da
corrente de ar é convertida em pressão estática, realizando um trabalho útil, além disso, o
ventilador trabalha com ar frio com densidade maior que no caso da tiragem induzida;
 Os equipamentos mecânicos encontram-se situados numa corrente de ar relativamente seca
e são de fácil acesso para manutenção.
 O tamanho do ventilador é limitado, necessitando de um grande número de ventiladores
pequenos e de maior velocidade, comparado com uma instalação de tiragem induzida.
Consequentemente, o nível de ruído é maior;
 Existe tendência de formação de gelo nos ventiladores durante as épocas frias com
consequente obstrução da entrada de ar;
http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/20
08/08/torres-de-resfriamento2.pdf

287
Torres de tiragem mecânica induzida
São torres nas quais os ventiladores são posicionados
na saída de ar, geralmente na parte superior da torre.
 É possível instalar grandes ventiladores, de forma que podem ser mantidas velocidades e
níveis de ruído baixos;
 O ar entra a uma velocidade considerável, podendo arrastar consigo corpos estranhos.
 Podem ser instalados filtros de ar;
 Devido às altas velocidades de saída do ar, os problemas de recirculação são bastante
reduzidos;
 Tendência a produzir vibrações devido a montagem do ventilador sobre a estrutura;
 Os elementos mecânicos são de difícil acesso e encontram-se submergidos numa
corrente de ar úmido e quente;
 Menor superfície ocupada que no sistema mecânico forçado, devido à ausência de
ventiladores em volta da torre
http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/20
08/08/torres-de-resfriamento2.pdf

288
Enchimento
A função do enchimento de uma torre é acelerar a dissipação de calor aumentando o
tempo de contato entre a água e o ar. Esta função realiza-se devido ao aumento da área
molhada, à exposição contínua da superfície da água ao ar e à formação de gotas e filmes
na torre.
O enchimento de uma torre deve ser de baixo custo e de fácil instalação, devendo ainda
promover uma quantidade adequada de transferência de calor, apresentar baixa
resistência ao fluxo do ar e manter uma distribuição uniforme da água e do ar durante a
sua operação.
Os enchimentos de torre são classificados em dois tipos,
 De gotejamento ou respingo
 De película ou laminar
O enchimento do tipo respingo é usado quase que exclusivamente em torre industrial. O
enchimento do tipo filme é mais indicada para unidades compactas ou
pequenas torres comerciais.

289
Enchimento tipo “respingo”
O enchimento tipo respingo consiste em vários
diferentes arranjos, dependendo do projeto da
torre e do fabricante.
No entanto, a sua finalidade em qualquer
instalação é misturar a água com ar movendo-
se na direção horizontal (corrente cruzada), ou
vertical (contra-corrente). A máxima exposição
da superfície da água ao fluxo de ar é,
portanto, obtida pela repetição da interrupção
da queda da água, respingando-se sobre tábuas
de respingo individuais.
É muito importante que o enchimento do tipo
respingo seja suportado adequadamente, pois
as tábuas de respingo devem estar na posição
horizontal, caso contrário à água e o ar serão
canalizados através do enchimento da torre e
sua capacidade diminuirá sensivelmente http://www.omnigrupo.com.br/pdf/apostila_omni.pdf

290
Enchimento tipo “filme”
Este tipo de enchimento está sendo usado à
medida que novos materiais e novas
configurações são desenvolvidos,
permanecendo, no entanto, mais custoso
que o enchimento tipo “respingo”. A eficiência
deste tipo de enchimento depende de sua
habilidade de espalhar a água em um fino
filme, escorregando sobre áreas grandes,
ocasionando a máxima exposição da água à
corrente de ar. Como ele é mais sensível à
irregularidade do fluxo de ar e da distribuição
de água do que o tipo respingo, o projeto da
torre deve assegurar um fluxo uniforme, tanto
do ar como da água em todo o volume de
enchimento também precisa ser
adequadamente suportado e espaçado
uniformemente.
http://www.omnigrupo.com.br/pdf/apostila_omni.pdf

291
Venezianas
As venezianas de entrada do ar são
projetadas para evitar perda de água
através das superfícies de entrada do
ar e para uma eficiente admissão
deste ar na torre.
O ar deve ser uniformemente
distribuído com uma perda mínima
de pressão. Para prevenir perda de
água, as venezianas devem ser
projetadas com inclinação, largura e
espaçamento apropriado.

292
http://powerwash.ms/industrial-projects/

293
http://www.harrisoncoolingtower.com/frp_circle_cooling_tower.html

Componentes das Torres de arrefecimento
• Ventilador
• Distribuidor/aspersor de água
• Enchimento
• Venezianas
• Tanque de água
VENTILADOR AXIAL
RETENTORES DE GOTAS
BACIA COLETORA
ENCHIMENTO
DE CONTATO
VENEZIANA PARA
ENTRADA DE AR
DISTRIBUIÇÃO
DE ÁGUA
294
www.sj.cefetsc.edu.br/~jesue/torres%20arrefecimento.ppt

Ventilador
295
http://cooling-tower-online.com/page/2/
http://www.abctorres.com.br/5.html

Distribuidor/aspersor de água
296
http://www.towertechinc.com/TowerTechPortuguese.php

Enchimento
297

Capacidade de arrefecimento de uma Torre
A capacidade de arrefecimento de uma torre é dada pela equação
P torre = ρ Qv c (Te-Ts)
Onde:
• P torre - potência térmica de arrfecimento (W)
• - massa específica da água (kg m-3 )
• Qv - caudal volumétrico da água circulada pela torre (m3 s-1 )
• C - calor específico da água (J kg-1 °C-1 )
• Te - temperatura de entrada da água na torre (° C)
• Ts - temperatura de saída da água ( ° C)
298

299
http://www.nucleartourist.com/systems/ct.htm
Torre de arrefecimento de circulação
natural
Têm cerca de 120 m de altura, dependendo
da pressão diferencial entre o ar frio do
exterior e o ar quente e húmido no interior
da torre, pois esta cria a força motora para
a circulação do mesmo.
Ao não usar ventiladores, as condições
ambientais no local de implantação são de
muita importância

300
Torre de arrefecimento de circulação
natural
As correntes a verde mostram como a
água quente deixa a central, é
bombeada para a torre e é distribuida.
A água fria, incluindo a água de reposição
vinda do lago para suprir as perdas por
evaporação retorna para os
condensadores da central
http://www.nucleartourist.com/systems/ct.htm

Vídeos
301

O : Fornos Industriais (fornalhas)
302
http://coolingtower-design.com/wp-content/uploads/2011/01/furnace.jpg

• Um Forno é um equipamento que se destina a produzir calor e a fazer a sua transferência
para os produtos que dele necessitam como, por exemplo:
 Extração de metais do minério,
 Aquecimento de fluidos para as colunas de destilação fraccionada nas refinerias e outras
indústrias químicas,
 Obtenção de vapor para processos como o “steam cracking” da nafta.
• Órgãos principais de um forno
Ventilador
Queimadores
Câmara de combustão
Tubos de radiação
Tubos intermédios
Tubos de convecção
Chaminé
303
O : Fornos
http://en.wikipedia.org/wiki/Furnace
Constituição

304
O : Fornos
 Ventilador : fornece o ar necessário para a combustão
 Queimadores: são instalados na soleira ou nas paredes laterais
e aí se queima o combustível.
 Câmara de combustão: é o espaço livre por cima dos
queimadores.
 Tubos de radiação: os tubos que se encontram colocados ao
longo das paredes da câmara de combustão e que recebem calor
por radiação.
 Tubos intermédios: tubos colocados acima dos de radiação e
que recebem calor tanto por radiação como por convecção.
 Tubos de convecção: tubos colocados na parte superior e que
recebem calor dos gases quentes da queima.
 Chaminé: local por onde se faz a extração dos gases de
combustão

• O combustível misturado com o ar inflama-se nos queimadores e produz calor
• As paredes e o teto são revestidos com material isolante, refratário, que reduz as perdas
de calor e irradiam este calor para os tubos.
• Os gases e vapores resultantes do combustível queimado e do ar são designados por
produtos de combustão.
• Os gases das chaminés são constituídos por produtos de combustão e por ar não
consumido na reação de queima.
• A carga (água) é normalmente introduzida na zona de convecção saindo pelos tubos de
radiação.
• Num forno que trabalhe com caudais elevados o tubular pode ser constituído por
secções individuais.
• Os fornos são projetados para diferente limites de temperatura de funcionamento.
• As temperaturas de funcionamento mais elevadas exigem mais espaço, de forma a
permitir a dilatação e deslocamento dos tubulares ou serpentinas.
305
O : Fornos

Tiragem
• Os fornos devem ser estanques ao ar, todo o ar entra pelos queimadores
• A tiragem é o processo que garante a introdução de ar no forno, a circulação dos gases
de combustão e a sua saída para a atmosfera.
Há 4 tipos de tiragem
• Tiragem natural: a saída dos gases
processa-se naturalmente pela chaminé,
devido à diferença de pressão criada,
por uma pressão ligeiramente inferior
á atmosférica.
• Tiragem forçada: o ventilador que
fornece ar aos queimadores fornece
também a energia necessária para a movimentação dos gases através do forno. Por este
motivo, a chaminé não precisa de ser de grandes dimensões.
• Tiragem induzida: tiragem produzida pela descarga de gases através de um exaustor
situado ente o forno e a chaminé.
• Tiragem equilibrada: utiliza simultaneamente um ventilador e um exaustor.
306
O : Fornos
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAUy4AF/tiragem

307
O : Fornos
http://www.google.pt/url?sa=t&source=web&cd=3&sqi=2&ved=0CCkQFjAC&url=http%3A%2F%2Fxa.yimg.com
%2Fkq%2Fgroups%2F24788554%2F1695746707%2Fname%2FCaldeiras-
%2BT5831.ppt&rct=j&q=tiragem%20natural&ei=HZ1oTu6UM42p8APy3YS8Cw&usg=AFQjCNG7CK98niAS24p
ccOmb45ggaloCew&cad=rja

Combustão
308
O : Fornos
• Para se ter a certeza que há oxigénio suficiente para queimar todo o combustível, é
admitida no forno uma quantidade de ar ligeiramente superior á necessária; essa
quantidade denomina-se “excesso de ar”.
• Esse excesso não pode ser elevado pois, dada a proporção azoto/oxigénio no ar (4/5 ,
1/5), um excesso de azoto absorveria muito calor, o que penalizava a rentabilidade
económica pois seria necessário gastar mais combustível.
• Se houver deficiência de oxigénio formar-se-á monóxido de carbono (tóxico)
• Reação química completa C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O
• Reação química incompleta (deficiência de O2) C + 1/2 O2 CO
• A fim de rentabilizar o processo utilizam-se pré aquecedores de ar, onde é recuperada
parte da energia contida nos gases de combustão com economia de combustível na
altura da queima.

Gases de combustão
• Os gases de combustão têm de ser analisados, não só para avaliar a quantidade de ar que se
está a fornecer como também, ao conhecer a sua composição, contribuir para uma política
de Controlo Ambiental.
O : Fornos
Gases
de
combust
ão
Monóxido
de carbono
CO
Óxidos de
enxofre
SO2 SO3
Óxidos de
azoto NOx
Fumo
Partículas
Hidro
carbonetos
Fumo
Materiais sólidos e gasosos produzidos pela
queima incompleta (cor do cinza claro ao preto)
Partículas
Partículas sólidas de carbono e óleo
parcialmente queimadas
Hidrocarbonetos
Combustível parcialmente queimado

Indicadores de temperatura
• Para a condução eficiente dos fornos é essencial ter uma informação correta das
temperaturas em diversas partes do forno.
• São utilizados termopares e termoresistências.
• No exterior dos tubos podem ser instalados termopares, nos pontos de maior aquecimento,
pra medir a temperatura do metal.
• Uma diferença de temperatura acentuada entre a carga (água) e o metal, pode indicar a
formação de coque (depósitos carbonizados na superfície)
310
O : Fornos

Vídeos (clicar na figura)
311
O : Fornos

Fornalha para aquecimento doméstico
312
http://www.onehourairconditioningcharlotte.com/furnaces.html
O : Fornos

313
O : Fornos
http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856-heat-exchangers-boilers-
furnaces?start=5

314
façam bom uso do
não se esqueçam dos
até breve
clica
Fim

Bibliografia
Além dos sites já referenciados ao longo da apresentação,
• Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 a 22
• Raymond A. Serway and John W. Jewett, Jr., “Physics for Scientists and Engineers with
Modern Physics”, 8 th Edition, Part 3, cap 19 – 22
• Paul A. Tipler, Gene Mosca, “Física”, vol1, cap 17 – 20
• Halliday, Resnick, Krane; “Física 2”, 5ª edição, LTC editora, cap. 22,23,24
• Yunus A. Çengel; “Transferencia de Calor”, segunda edición, Mc Graw Hill
• J. P. Holman; “Transferencia de calor”. 1999, Compañia Editorial Continental S.A. México
316

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