Transferência de energia sob a forma de calor

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1 Transferência de energia sob a forma de calor As diferentes formas de transferência de energia sob a forma de calor têm em comum ocorrerem sómente quando existe uma diferença de temperatura entre os sistemas envolvidos. Modos de transferência de energia calorífica Condução Convecção Radiação térmica

2 Condução transporte de energia entre elementos de massa contíguos, em virtude da diferença de temperatura existente entre eles, sem que haja deslocamento efectivo dos elementos de massa. Pode ocorrer em qualquer meio material (gases, líquidos ou sólidos) Experimentalmente, determina-se Q t T A x x Se: - x > 0 para a direita; então - T < 0 para a direita (t designa tempo, nestas expressões) Lei de Fourier da Condução de Calor K condutividade térmica (depende do material) dt/dx gradiente de temperatura & Q cond Q = δ dt = KA dt dx

3 Exemplos de valores de condutividade térmica Prata 428 W m -1 K -1 Alumínio 236 W m -1 K -1 Aço ~50 W m -1 K -1 Os metais são bons condutores, devido aos seus electrões livres. Vidro ~1.0 W m -1 K -1 Madeira 0.15 W m -1 K -1 Ar W m -1 K -1 Os gases, bem como sólidos porosos ou misturados com gases, são maus condutores térmicos.

4 Convecção transporte de energia entre elementos de massa afastados, em virtude do deslocamento de elementos de massa a temperatura mais alta para regiões do sistema onde a temperatura é mais baixa. Pode ocorrer num meio material fluido (gases ou líquidos) Tipos de convecção: Forçada movimento do fluido provocado por bombas ou ventoinhas (engenharia) Natural movimento do fluido provocado por forças de impulsão devido a diferenças de densidade associadas às diferenças de temperatura (correntes atmosféricas, oceânicas,...) Nota: Sempre que há convecção há também condução (o inverso já não se verifica...)

5 Consideremos um fluido em contacto com uma superfície (plana ou curva) de área A e a uma temperatura superior de T. Energia é transferida sob a forma de calor da parede para o fluido & Q conv Q = δ dt = h A T Lei de Newton do Arrefecimento h coeficiente de convecção h depende de: forma e orientação da superfície; densidade, viscosidade, capacidade térmica molar, condutividade térmica do fluido; tipo de escoamento do fluido (laminar ou turbulento);...

6 Radiação transporte de energia sob a forma de ondas electromagnéticas. No vazio, a propagação dá-se à velocidade da luz. A radiação térmica, emitida por um sólido ou líquido em virtude da sua temperatura T > 0K, tem características particulares. Não requer um meio material para a propagação se efectuar. Características da radiação térmica emitida pelas superfícies de sólidos, líquidos ou gases de elevada densidade A potência máxima de radiação térmica que pode ser emitida pela superfície de um corpo de área A, à temperatura absoluta T, é: P emit, max 4 = σ AT Lei de Stefan-Boltzmann σ = 5, W m -2 K -4 constante de Stefan-Boltzmann Um corpo (idealizado) cuja superfície emite radiação térmica a esta taxa máxima diz-se um corpo negro.

7 Realização experimental de um corpo negro: Cavidade forrada por paredes opacas, à temperatura T (independentemente do material que constitui as paredes). A taxa de radiação térmica emitida pelas superfícies reais é, em geral, inferior à do corpo negro: P emit =εσ AT 4 0 ε 1 emissividade da superfície (ε = 1 para o corpo negro) Material Folha de alumínio Cobre polido Emissividade, ε, a T=300K 0,07 0,03 Prata polida 0,02 Tinta preta Pele humana Água 0,98 0,95 0,96

8 A taxa de radiação térmica absorvida pelas superfícies reais é também, em geral, inferior à do corpo negro: P = α abs P inc P inc potência de radiação térmica incidente sobre a superfície P abs potência de radiação térmica absorvida pela superfície 0 α 1 absortividade da superfície (α = 1 para o corpo negro) P inc Para superfícies opacas, P ref = (1-α) P inc P abs = α P inc Lei de Kirchhoff da radiação térmica: Para um corpo em equilíbrio térmico, ε = α Taxa de calor transferido para um corpo à temperatura T e área superficial A, totalmente imerso em radiação ( ) 4 4 térmica emitida por um corpo negro à temperatura T W, Q& = εσ A T T rad W