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Transferência de Calor

 

Fundamentos da transferência de calor

Em termos mais simples, a disciplina de transferência de calor está preocupado apenas com duas coisas: a temperatura eo fluxo de calor.

Temperatura representa a quantidade de energia térmica disponível, enquanto que o fluxo de calor representa o movimento de energia térmica a partir de um lugar para outro.

Em uma escala microscópica, a energia térmica é relacionada com a energia cinética das moléculas. Quanto maior for a temperatura de um material, maior será a agitação térmica das suas moléculas constituintes (que se manifesta tanto em movimento linear e modos vibracionais). É natural que as regiões que contêm maior energia cinética molecular para passar essa energia para regiões com menos energia cinética.

Diversas propriedades do material servir para modular o calor tranfered entre duas regiões em temperaturas diferentes. Exemplos incluem condutividade térmica, calores específicos, densidades materiais, velocidades de fluido, viscosidade do fluido, emissividade da superfície, e muito mais. Tomados em conjunto, estas propriedades servem para tornar a solução de diversos problemas de transferência de calor de um processo de envolver.

Mecanismos de transferência de calor

Os mecanismos de transferência de calor podem ser agrupados em três categorias gerais:

Condução: As regiões com maior energia cinética molecular vai passar a sua energia térmica para regiões com menos energia molecular através de colisões moleculares diretos, um processo conhecido como a condução. Nos metais, uma parte significativa da energia térmica transportada é também realizada por electrões da banda de condução.

Convecção: Quando o calor conduz para um fluido estático que leva a uma expansão volumétrica local. Como resultado dos gradientes de pressão induzidas pela gravidade, a parcela de fluido expandido fica flutuante e desloca, assim, o transporte de calor por movimento do fluido (isto é, por convecção), para além da condução. Tal movimento fluido induzida pelo calor em fluidos inicialmente estáticas é conhecido como convecção livre.

Radiação: Todos os materiais irradiam energia térmica em quantidades determinadas pela temperatura, onde a energia é transportada por fotões de luz nas porções visível e infravermelha do espectro eletromagnético. Quando as temperaturas são uniformes, o fluxo radiativo entre objetos está em equilíbrio e sem energia térmica líquido é trocado. O equilíbrio é perturbado quando as temperaturas não são uniformes, e da energia térmica é transportado a partir da superfície superior para superfícies de baixa temperatura.

Como o calor é transferido?

O que é calor?

Toda a matéria é composta por moléculas e átomos. Estes átomos estão sempre em diferentes tipos de movimento (translação, rotação, vibracional). O movimento dos átomos e moléculas gera calor ou energia térmica. Toda matéria tem uma energia térmica. Quanto mais movimento dos átomos ou moléculas têm mais energia térmica ou calor que eles terão.

Como o calor é transferido?

O calor pode viajar de um lugar para outro de três maneiras: condução, convecção e radiação. Ambos condução e convecção exigem questão de transferência de calor.

Se houver uma diferença de temperatura entre dois sistemas de calor vai sempre encontrar uma maneira de transferir a partir do mais alto ao mais baixo do sistema.

CONDUÇÃO: A condução é a transferência de calor entre as substâncias que se encontram em contato direto uns com os outros. Quanto melhor for o condutor, o calor mais rapidamente será transferida. Metal é uma boa condução de calor. Condução ocorre quando uma substância é aquecida, as partículas irão ganhar mais energia e mais vibrar. Essas moléculas, em seguida, bater em partículas vizinhas e transferir parte de sua energia para eles. Este, em seguida, continua e passa a energia a partir da extremidade quente para baixo para a extremidade mais fria da substância.

CONVECÇÃO: A energia térmica é transferida de locais quentes para locais frios por convecção. Convecção quando ocorre mais quentes áreas de um líquido ou de ascensão de gás para as zonas mais frias do líquido ou gás. Líquido ou gás mais frio, então toma o lugar das áreas mais quentes que subiram mais alto. Isto resulta num padrão de circulação contínuo. Água fervendo em uma panela é um bom exemplo dessas correntes de convecção. Outro bom exemplo de convecção é na atmosfera.

RADIAÇÃO: A radiação é um método de transferência de calor que não dependem de qualquer contato entre a fonte de calor e do objeto aquecido, como é o caso da condução e convecção. O calor pode ser transmitido se o espaço vazio por radiação térmica, muitas vezes chamado de radiação infravermelha . Este é um tipo de radiação eletromagnética . Nenhuma massa é trocada e é necessário nenhum meio do processo de radiação. Exemplos de radiação, o calor do sol ou do calor libertado a partir do filamento de uma lâmpada.

Transferência de Calor - O que é

O calor flui dos corpos mais quentes para os mais frios. Você freqüentemente deseja evitar que o calor se escoe. Por exemplo, você usa roupas de lã no inverno para manter-se aquecido, e sua geladeira tem paredes espêssas para impedir a entrada de calor. Quando você deseja facilitar o escoamento de calor você usa metais porque êles são bons condutores. Sua mãe usa panelas de ferro ou alumínio.

Nos países frios, usam-se atualmente aquecedores (ou calefatores) elétricos ou a gás, que esquentam o ar de, um aposento principalmente pela radiação que é absorvida e transformada em calor. Muitos lares são aquecidos por meio de aparelhos de ar quente ou sistemas de aquecimento por meio de água quente em que o calor é transferido pelo movimento do ar, ou água, quente.

O calor pode passar dos corpos quentes aos mais frios por convecção, condução e radiação.

Convecção

Tome tubos de vidro encurvados e ligue-os por tubos de borracha como indica a Figura abaixo. Encha os tubos com água e deixe cair uma gôta de tinta em A.

Ponha um bico de Bunsen no ramo esquerdo. A água dêsse ramo recebe energia calorífica da chama, o que faz as moléculas se moverem mais ràpidamente; a água nêle se dilatará e ficará mais leve, ou melhor, menos densa, do que no ramo direito. A água mais fria, sendo mais pesada, mover-se-á para baixo no ramo direito, fazendo a água circular. À agua em movimento leva energia calorífica do ramo esquerdo para o ramo direito. Êsse modo de transferir de transferir calor é chamado convecção. Convecção é a transferência de calor pela matéria em movimento.

Transferência de Calor
Convecção. Aquecendo-se a água em AB ela se expande e fica menos densa.
A água mais fria e mais densa, em CD, desce então. A água em circulação transfere o calor por convecção.
Na convecção, o calor é transferido juntamente com a matéria

Transferência de Calor
Planadores em ação

Êsses planadores são inicialmente rebocados pelo avião e depois soltos dos cabos para voarem sózinhos. Um pilôto experimentado pode manobrar um dêsses aparelhos sem motor percorrendo grandes distâncias, aproveitando as correntes de ar. Como o ar quente sobe, o planador pode ganhar altura nas correntes ascensionais e então planar, perdendo altura, até encontrar outra corrente ascensional.

Em sentido figurado: o "combustível" do planador são as correntes de convecção.

O ar que sobe na chaminé de de sua casa, ou de uma fábrica, leva calor para cima. Monte dois tubos de cartolina em aberturas de uma caixa de papelão e coloque uma vela acesa debaixo de uma delas, como na Figura abaixo. O ar mais frio em B, sendo mais denso que o ar em A, descerá para a caixa e empurrará o ar quente para fora da chaminé, produzindo circulação do ar. Você pode provar a descida do ar em B, mantendo um pedaço de papel ou pano fumacento sôbre essa chaminé.

Transferência de Calor
Convecção do ar. O ar mais frio, mais denso, em B, desce, aumenta a pressão na caixa e força o ar quente a subir em A.

No forno de ar quente (Figuras abaixo) o ar frio da sala desce pelo tubo de ar frio até o forno. Êste ar frio, mais pesado, força o ar mais quente, menos denso, a subir pelos tubos de ar quente. No sistema de ar quente, a água fria desce pelo tubo de retôrno e força a água quente a subir da caldeira para os radiadores.

Transferência de Calor

Transferência de Calor
Forno de ar quente
Um sistema de aquecimento de água quente. A água fria, descendo para o aquecedor, força a água quente a subir para os radiadores

Condução

Ponha uma extremidade de uma barra de ferro numa chama; as moléculas do ferro nessa extremidade absorverão calor. Essa energia fará as moléculas vibrarem mais rigorosamente e se chocarem com as moléculas vizinhas, transferindo-lhes a energia. Essas moléculas vizinhas, por sua vez, passarão adiante a energia calorífica, de modo que ela será conduzida ao longo da barra para a extremidade fria. Observe que, na condução, o calor passa de molécula a molécula, mas as moléculas não são transportadas com o calor. Condução é a transferência de calor através de um corpo, de molécula a molécula.

Transferência de Calor

Um forno-poço. lingotes ou branco rubro são colocados nesse poço para impedir a perda de calor até que êles sejam prensados ou laminados. O poço é mantido quente, usando-se óleo ou gás como combustível. De que modo podem os lingotes ganhar ou perder calor enquanto no poço?

Para comparar a condução do calor por diferentes metais, enrole, uma na outra, as extremidades de um fio de cobre e outro de ferro, de mesmo comprimento (Figura abaixo). Prenda algumas tachinhas com cêra aos fios. Aqueça as extremidades enroladas dos fios numa chama. As tachas prêsas ao cobre começarão a cair antes das prêsas ao ferro. O cobre conduz calor melhor que o ferro.

Transferência de Calor

Condução. Por que a cêra no cobre derrete antes da cêra no ferro?

Todos os metais são bons condutores de calor. Os gases e os líquidos são bons condutores. Substânciais tais como tecidos, papel e amianto, que pouco conduzem calor, são chamadas maus condutores ou isolantes térmicos. Agasalhos de pele ou de lã fofa são bons isolantes por causa do ar que está aprisionado nos mesmos (Figura abaixo). A lã é mais quente que o algodão e linho, porque retém mais ar em seu interior.

Transferência de Calor
Um bom isolante. esse material macio é feito de fibras que armazenam ar em poros finos.
Êle conduz tão pouco o calor que a chama não queima a mão do outro lado.

A lã é um bom isolante. A lã prende o ar, formando uma camada isolante que conserva a môça aquecida. O sobretudo seria mais quente - e menos bonito - se a lã estivesse na parte interna.

Radiação

Que é radiação?

O Sol emite energia radiante no espaço; através de milhões de quilômetros, essa energia chega à Terra. Tem a forma de ondas, de comprimento igual a cêrca de 0,00005cm. Quando você recebe a luz do Sol diretamente, você absorve essa energia que se transforma em energia calorífica. Todos os corpos irradiam energia para objetos a temperaturas mais baixas. Você irradia energia para as paredes de uma sala fria. Um aquecedor elétrico, ligado, irradia energia para você. Você absorve essa energia e se aquece. Assim, embora seja a absorção de energia radiante que produz calor, freqüentemente falamos de calor radiante, que é energia radiante absorvida como calor.

Na convecção, a energia calorífica e o ar, a água ou outro material, transmitem-se conjuntamente. Na condução, a energia calorífica passa de molécula para molécula. Na radiação, somente a energia se transmite. Nenhum material é necessário para isso. Acenda uma em cima e contra a sua mão e esta se aquecerá. A máo recebe pouco calor por condução. Não recebe calor por convecção, pois o ar quente sobe. Ela se aquece pela absorção da energia radiante emitida pelo filamento quente.

Que é um bom absorvente de radiação?

Passe um pouco de cola num bulbo de um termômetro e revista o bulbo com uma camada de fuligem ou outra substância preta. Mantenha-o junto com outro termômetro não-revestido, próximo à parte inferior de uma lâmpada elétrica acesa (Figuras abaixo). O termômetro enegrecido se aquecerá mais rapidamente do que o outro, porque as substâncias negras são bons absorventes de calor. Retire a lâmpada. O termômetro de bulbo enegrecido voltará à temperatura ambiente mais depressa que o outro. Os bons absorventes de energia radiante são bons radiadores.

Transferência de Calor
Absorção. O termômetro do bulbo enegrecido absorve os raios de calor, mas o do bulbo prateado os reflete.
Os corpos negros são bons absorventes.

A maioria das substâncias não metálicas absorve melhor o calor radiante que os metais. A fuligem (negro de fumo) absorve cêrca de 97% da radiação que recebe. Tintas não metálicas absorvem 90%, o ferro galvanizado fôsco 50%, tinta de alumínio 30% e alumínio ou prata polidos 6%.

Transferência de Calor

As pessoas que vivem nas regiões tropicais preferem vestir-se de branco porque a roupa branca reflete mais a radiação do Sol do que as roupas escuras.

Benjamim Franklim, o primeiro grande cientista americano, fêz uma experiência muito simples, colocando sôbre a neve, ao sol, pedaços de fazendas de cores diversas. Após algumas horaso pedaço preto, que foi mais aquecido pelo sol tinha-se afundado mais na neve que os outros, enquanto o branco nada se afundara; as outras cores se afundaram tanto mais quanto mais escuras eram. Ficou assim provado que as cores mais claras absorvem menos calor do Sol e são, portanto, mais próprias para as regiões ensolaradas.

Aquecimento por radiação

Nos países em que o inverno é muito frio, as casas, igrejas e edifícios públicos são, algumas vêzes, aquecidos por calor radiante. Canos que transportam água são embutidos no chão ou nas paredes e no teto e fornecem o calor (Figura abaixo). Canos de cobre são postos no chão e encobertos com cêrca de 5cm de concreto.

Água quente, a cêrca de 500C, passa pelos canos. O chão é aquecido por condução e irradia energia, que é absorvida pelos móveis e pelas pessoas na sala.

Êste método de aquecimento é de fácil controle, limpo e pode dar confôrto quando faz frio.

Transferência de Calor
Calor radiante - Canos de cobre postos no concreto conduzem água quente que irradia energia que é absorvida no aposento e produz calor.

Bons absorventes perdem calor com facilidade

Água quente colocada num copo de preta polida esfria mais devagar do que se o copo fôsse revestido de fuligem. As superfícies que absorvem facilmente o calor também o perdem, ou emitem facilmente. Bons absorventes são bons emissores. As chaleiras devem ser bem polidas para irradiar pouco; o fundo não deve ser liso, mas, de preferência negro, para absorver facilmente. Os balões são pintados com tinta de alumínio. Quando êles passam de sob uma nuvem para a radiação do Sol, o alumínio reflete a radiação e o gás não se aquece rapidamente. Quando o balão fica na sombra de uma nuvem, a superfície metálica sendo pobre emissora de calor não irradia facilmente; o gás não se resfria, assim, rapidamente. As mudanças rápidas de temperatura e pressão do gás são, assim, evitadas, tanto porque o alumínio é um mau absorvente como por ser êle um mau emissor. Pouco gás deve ser liberado do balão.

Em agôsto de 1932 um cientista suiço, Auguste Piccard, subiu a uma altura de 19 quilômetros sôbre a Terra numa gôndola esférica prêsa a um enorme balão. Êle queria regular a temperatura na esfera; para isso êle pintou metade de sua superfície externa com tinta prêta e a outra metade com tinta de alumínio. Se a gôndola ficasse muito fria, Piccard voltaria o lado enegrecido da esfera para o Sol, de modo que os raios de calor fôssem fàcilmente absorvidos; se a gôndola ficasse muito quente êle voltaria para o Sol o lado pintado com alumínio, de modo que este absorvesse pouca radiação, enquanto o lado enegrecido irradiasse facilmente o calor. Seu plano falhou porque o mecanismo destinado a girar a gôndola não funcionou durante a ascensão. A temperatura na gôndola subiu a 450C. Piccard e seus companheiros tiveram um tempo quente na gôndola.

Fonte: www.efunda.com/www.edinformatics.com/www.colegiosaofrancisco.com.br

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