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ENG 3006TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA
1o SEMESTRE DE 2018
CAPÍTULO 1
Introdução
• Definições fundamentais
• A 1a Lei da Termodinâmica
• Algumas aplicações da transferência de calor
• Mecanismos físicos
Capítulo 1Introdução
• A ciência da transferência de calor considera a
transferência de energia entre dois sistemas devido à
diferença de temperatura entre eles.
• Na Termodinâmica, a transferência de calor é
considerada como uma das formas de interação energética
entre dois sistemas, sendo o trabalho a outra forma.
1a Lei: ∆E = Ee – Es [J]
• Contudo, as 1a e 2a Leis da Termodinâmica não
estabelecem o problema de determinar a transferência de
calor a partir do conhecimento das temperaturas e
naturezas dos sistemas envolvidos.
Capítulo 1Introdução
• Expressões para o cálculo da transferência de calor
provêm de observações experimentais, sendo
denominadas relações constitutivas.
• Mecanismos da transferência de calor:
- Condução
- Convecção
- Radiação
• Algumas aplicações:
- Ciclos de potência
- Sistemas de refrigeração
- Resfriamento de componentes eletrônicos
- Tratamento térmico
- Processo de fabricação
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência
Ciclo Rankine de Potência
bomba
turbina
gerador de
vapor
QH
QC
WT
(1)
(2)
(3)
(4)
condensador
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Gerador de vapor)
Gerador de vapor
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Gerador de vapor)
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Ciclos de Potência (Condensador)
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Placa de circuitos eletrônicos
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Elevação contínua na potência de operação dos chips
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Ciclo de resfriamento eletrônico a água
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Bloco de água
Capítulo 1Aplicações da Transferência de Calor: Resfriamento de sistemas eletrônicos
Bloco de água montado na placa de circuitos
Teoria e Prática
Capítulo 1Condução Térmica
• Mecanismo pelo qual o calor é difundido através de um
meio sólido, líquido e gasoso, o qual se encontra em
repouso macroscópico.
• Ponto de vista atômico-molecular: As partículas
constituintes (elétrons, átomos ou moléculas) da matéria
possuem liberdade para se movimentar. Este movimento,
de natureza caótica, promove a transferência de calor.
- Metais: transporte através de elétrons livres.
- Gases: transporte através do movimento das
moléculas.
- Cristais: transporte através dos retículos que unem os
átomos.
Capítulo 1Condução Térmica
Condução através de uma camada de gás
entre duas placas de vidro.
Capítulo 1Condução Térmica
Condução através
de uma placa 1D
TC
TH
Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
Capítulo 1Condução Térmica
Escala molecular
TC
Condução através
de uma placa 1D
TH
Capítulo 1Condução Térmica
x
x
T(x)
L
L
Escala macroscópica
TC
TH
TC
∆T = TH -TC
TH
Capítulo 1Condução Térmica
x
L
Fluxo de calor por condução (Lei de Fourier):
xxcd
x
Tkq
∂
∂−=''
,
'',xcdq
[W/m2]
condutividade térmica [W/(m⋅⋅⋅⋅K)]
TH
TC
x
T(x)
L
Escala macroscópica
TH
TC
∆T = TH -TC
Capítulo 1Condução Térmica
x
L
cdq
Simplificações:
• problemas 1D
• regime estacionário
• k constante
• sem geração de calor
Taxa de calor por condução:
cd
Tq k A
x
∆=
∆[W]
área transversal [m2]
TC
TH
Capítulo 1Convecção Térmica
• A transferência de calor por convecção combina dois
mecanismos de transporte térmico: (1) condução, que
ocorre na interface entre a superfície da parede e o
fluido adjacente, que se encontra em repouso de acordo
com a hipótese de não-deslizamento; e (2) advecção da
energia térmica pelo fluido ao longo do escoamento.
parede
fluido
advecção
condução
Capítulo 1Convecção Térmica
Trocador de calor de casco e tubos
Capítulo 1Convecção Térmica
• Equação constitutiva:
• Para gases / vapor:
• Convecção natural: h ~ 2-25 W/(m2·K)
• Convecção forçada: h ~ 25-250 W/(m2·K)
• Condensação: h ~ 2500-25000 W/(m2·K)
Coeficiente de transferência de calor [W/(m2⋅⋅⋅⋅K)]
u∞, T∞
Ts )( ∞−= TTAhq scv
Capítulo 1Radiação Térmica
• A radiação térmica não depende da presença de um
meio material para o seu transporte.
• A transferência de calor ocorre, neste caso, pela
propagação de energia através de fótons ou ondas
eletromagnéticas, como descrito pela teoria quântica.
• A radiação eletromagnética relacionada à temperatura
de um corpo encontra-se dentro da faixa de comprimento
de onda variando de 0,1 a 100 µm.
• A região espectral da radiação térmica inclui uma faixa
da radiação ultravioleta e todas as faixas da luz visível e
da radiação infravermelho.
Absorção e espalhamento na atmosfera da radiação solar na região do visível
Capítulo 1Radiação Térmica
Fornos de tratamento térmico a gás (esquerda)
e por resistências elétricas (direita)
Capítulo 1Radiação Térmica
• Troca radiante entre uma superfície e a vizinhança:
- Taxa de calor emitido pela superfície (W):
- Taxa de calor absorvido pela superfície (W):
- Taxa de calor radiante (W):
4se TAq εσ=
4
a vizq A T= ασ
Ts
Tviz qe
qa rd e aq q q= −
Capítulo 1Radiação Térmica
• Troca radiante entre uma superfície e a vizinhança:
- Taxa de calor emitido pela superfície (W):
- Taxa de calor absorvido pela superfície (W):
- Taxa de calor radiante (W):
4
a vizq A T= ασ
rd e aq q q= −Ts
Tviz
qrd
4se TAq εσ=
Capítulo 1Radiação Térmica
• Para superfícies cinzentas (ε = α):
- Taxa de calor radiante (W):
- Na forma linearizada:
- Coeficiente de transferência de calor radiante:
4 4( )rd s vizq A T T= εσ −
8 2 45,67 10 W/(m K ) constante de Stefan-Boltzmann−σ = × ⋅ ≡
Ts
Tviz
qrd
))(( 22**vizsvizsrd TTTTh ++εσ=
)( vizsrdrd TTAhq −=
Capítulo 1Radiação Térmica
• Para superfícies não-cinzentas (ε ≠ α):
- Taxa de calor radiante (W):
- Na forma linearizada:
onde é a temperatura estimada da superfície.
Obs: A formulação acima pode ser também aplicada a
superfícies cinzentas, normalmente acelerando a
convergência.
Ts
Tviz
qrd 44
vizsrd TATAq ασ−εσ=
44*3* 34 vizsssrd TATATTAq ασ−εσ−εσ=
*sT
Capítulo 1Balanço de Energia
• Balanço de energia em superfícies:
Fronteiras do Sistema Sistema: Superfície
• Convenção de sinal para o fluxo de calor: comumente,
mas não sempre, o fluxo é estipulado como positivo
quando saindo da superfície.
''
rdq
''
cvq
''
cdq
'' '' ''
cd rd cvq q q= +
Capítulo 1Unidades físicas
– Comprimento: metro
– Massa: kg
– Tempo: s
– Temperatura absoluta: K
– Diferença de temperatura: K ou oC
– Taxa de calor: W
– Taxa de calor por unidade de comprimento: W/m
– Fluxo de calor: W/m2
– Taxa de geração volumétrica de calor: W/m3
(símbolo: '')q
(símbolo: )q&
(símbolo: ')q
(símbolo: )q
Capítulo 1Estratégia de solução
1. Coleta de dados: informação disponível no enunciado;
2. Especificação do que se deve determinar;
3. Esquematização do processo;
4. Proposição das simplificações;
5. Obtenção das propriedades;
6. Formulação do problema;
7. Solução do problema;
8. Verificação numérica e das unidades;
9. Análise dos resultados.