transferencia de calor

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Transferência de calor

O estudo de transferência de calor pode ser considerado como uma continuidade do estudo da termodinâmica, sendo que esta última está apenas interessada nos estágios iniciais e finais das interações das trocas de energia de um sistema com sua vizinhança (trabalho e calor). Enquanto no estudo de transferência de calor são vistos os modos e suas respectivas taxas.

Sempre que houver um gradiente de temperatura em um meio, ou entre meios, haverá transferência de calor, que consiste no fluxo de energia térmica da maior para a menor temperatura, por três modos: condução; convecção; e radiação.

CONDUTORES TERMICOS * São aqueles que possuem elevado coeficiente de condutibilidade térmica.Ou seja, são materiais que conduzem calor com facilidade.Ex.: Os metais são excelentes condutores.

ISOLANTES TERMICOS * Ao contrário dos condutores, os isolantes conduzem muito pouco calor e possuem um coeficiente de condutibilidade baixo.Ex.: O ar, a neve.

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO

A transferência de calor por condução em um meio fluido (gasoso ou liquido) ocorre devido as interações entre as moléculas e o seu movimento aleatório. A temperatura em um determinado ponto do fluido é associado ao movimento de translação aleatório e movimentos internos de rotação e de vibração das moléculas. Portanto quando moléculas vizinhas se chocam há uma transferência de energia da mais energética para a menos energética, ocorrendo assim a condução na direção da diminuição de temperatura. E devido ao movimento aleatório destas moléculas há também uma transferência liquida de energia na direção da maior para a menor temperatura, ou seja, uma difusão de energia. Nos meios líquidos as interações são mais fortes e mais freqüentes do que nos gases, devido a proximidade entre as moléculas. Em um meio sólido a condução ocorre por ondas na estrutura de retículos induzidas pelo movimento atômico. Em um não condutor elétrico, a transferência de energia térmica ocorre exclusivamente através dessas ondas; em um condutor, a transferência também ocorre em função do movimento de translação dos elétrons livres.

O fluxo de calor por condução ocorre via as colisões entre átomos e moléculas de uma substância e a  subsequente transferência de energia cinética. Vamos considerar duas substâncias a diferentes temperaturas separadas por uma barreira que é removida subitamente, como mostra a figura abaixo.

Quando a barreira é removida, os átomos "quentes" colidem com os átomos "frios". Em tais colisões os átomos rápidos perdem alguma velocidade e os mais lentos ganham velocidade. Logo, os mais rápidos transferem alguma de sua energia para os mais lentos. Esta transferência de energia  do lado quente para o lado frio é chamada de fluxo de calor por condução. Materiais diferentes transferem calor por condução com  diferentes velocidades. Esta é uma medida da  condutividade térmica.

Condutividade térmica * Se envolvermos um objeto a uma temperatura  T2 com uma camada de um material, de modo a isolá-lo do ambiente externo a uma temperatura  T1,  então a condutividade térmica  do material isolante determina a rapidez com que o calor fluirá através dele.

Logo, materiais que possuem uma alta condutividade térmica são  resistores térmicos pobres - ou seja, isolantes ruins. Por outro lado, materiais com pequena condutividade térmica possuem grande resistência térmica - são bons isolantes.

Condutividades térmicas: (kcal/s)/ (oC m)

Alumínio

4,9  10-2

Cobre

9,2  10-2

Aço

1,1  10-2

Ar

5,7  10-6

Gelo

4  10-4

Madeira

2  10-5

Vidro

2  10-4

Amianto

2  10-5

1 kcal = 4184 J

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO

A transferência de calor ocorre por convecção quando há um fluido em movimento sobre uma superfície e ambos estão com diferentes temperaturas.

Dois mecanismos físicos se sobrepõem nesse modo de transferência. O movimento molecular aleatório (difusão) que predomina na região de contato com a superfície, e o movimento global ou macroscópico do fluido.

O escoamento do fluido sobre a superfície, forma uma camada-limite hidrodinâmica onde a velocidade varia de zero até uma velocidade finita, e no caso de uma diferença de temperatura, forma-se também uma camada-limite térmica.

A natureza do escoamento classifica a transferência de calor por convecção como sendo natural ou forçada. Na convecção natural tem-se como principio o escoamento do fluido devido a uma diferença de densidade causada pelo seu aquecimento fazendo com que este se mova dando lugar a uma outra porção do mesmo. E forçada quando este movimento do fluido for gerado por fontes externas, como ventiladores e bombas.

A troca de calor, ou seja, a transferência de energia que normalmente ocorre na convecção, é a da energia sensível, ou térmica interna do fluido. Entretanto há também na transferência de calor por convecção a troca de calor latente, que é caracterizada pela mudança de fase do fluido entre os estados líquidos e vapor do mesmo.

A equação de taxa apropriada para a convecção é conhecida como lei do resfriamento

de Newton.

Um bom exemplo de convecção é o aquecimento de uma panela de água. Quando a chama é ligada o calor é transferido primeiro por condução a partir do fundo da panela. Em um certo momento, a água começa a fazer bolhas - estas bolhas são de fato regiões locais de água quente subindo para a superfície, levando calor da parte quente para a parte mais fria no topo, por convecção. Ao mesmo tempo, a água mais fria, mais densa, do topo afundará, e será subsequentemente aquecida. Estas correntes de convecção são ilustradas na figura abaixo.

Correntes de convecção em água fervendo.

Considere duas regiões separadas por uma barreira, uma a temperatura maior do que a outra, e suponha que a barreira seja removida em um certo instante. As correntes de convecção são ilustradas na figura abaixo.

Fluxo de material devido a uma diferença de pressão

Quando a barreira é removida, o material na região de alta pressão (alta densidade) fluirá para a região de baixa pressão (baixa densidade). Se considerarmos que a regiào de baixa pressão é criada por uma fonte aquecedora, vemos que o movimento do material é equivalente à transferência de calor por convecção.

Um outro exemplo de correntes de convecção que pode ser interpretado dessa maneira, envolve a criação de brisa para a costa próxima a grandes quantidades de água (ex., o mar). A água possui um grande calor específico, e subsequentemente mantém mais o calor. Logo, durante o dia o ar sobre a água será mais frio do que sobre a terra. Isto cria região de baixa pressão sobre a terra, relativa à alta pressão sobre a água. Como consequência, uma brisa sopra da água para a terra. Por outro lado, durante a noite o ar sobre a água é um pouco mais quente do que sobre a terra, criando uma  baixa pressão sobre a água relativa à alta pressão sobre a terra, e uma brisa sopra da terra para a água. Veja a ilustração abaixo.

Formação de brisas próximas à grandes quantidades de água.

* REFRIGERADOR

Os refrigeradores retiram o calor de uma região fria e transferem para uma região mais quente. Essa transferência não é espontânea e para que isso ocorra deve haver uma injeção de energia, que é o trabalho do compressor.

TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RADIAÇÃO

Toda matéria que se encontra a uma temperatura não-nula, emite sua energia através de radiação térmica, que é caracterizada pela mudança na configuração eletrônica dos átomos ou moléculas que a constituem. O campo de radiação emite sua energia através de ondas eletromagnéticas, sendo então não necessário um meio material, tornando-se até mais eficiente na sua ausência.

A lei de Stefan-Boltzmann é a que possibilita a quantificação da potencia irradiada por uma superfície.

Portanto se um corpo absorve toda a radiação que incide sobre ele a será igual a 1, e ele pode ser considerado como um corpo negro. Quando um corpo emite mais radiação do que absorve, resfria-se aquecendo sua vizinhança. E se absorve mais do que emite, aumenta sua temperatura e sua vizinhança se resfria. Se este corpo estiver em equilibrio com sua vizinhança, o corpo emitira e absorvera radiação na mesma taxa.

* IRRADIAÇÃO TERMICA

A Irradiação é a transmissão de energia, sem que haja contato físico entre eles. Essa transmissão ocorre por meio dos denominados raios infravermelhos, que são ondas eletromagnéticas.

* GARRAFA TERMICA

A função de uma garrafa térmica é impedir as trocas de calor de seu conteúdo com o ambiente externo. Dessa forma é construída de modo a evitar, tanto quanto possível, a condução, a convecção e a radiação. Isto é feito da seguinte maneira:

I. A condução e a convecção são evitadas através de uma região de ar rarefeito (o ideal seria vácuo) entre as paredes duplas internas.

II. A radiação é evitada através do espelhamento de suas paredes, tanto internamente quanto externamente. Assim, tenta-se evitar que a energia térmica transite do interior da mesma para o meio externo e vice-versa.

* ESTUFA DE PLANTA

A luz solar (energia radiante) atravessa as paredes transparentes de vidro e é absorvida por diversos corpos. Posteriormente, esse energia é emitida na forma de raios infravermelhos que não atravessam o vidro (o vidro é um material opaco para os raios infravermelhos). Dessa maneira, o ambiente interno mantém-se aquecido,o mesmo acontece com os coletores solar.

CONCLUSÃO

A conclusão de calor é energia térmica em trânsito, ou seja, está em constante movimentação e transferência entre os corpos do universo. No entanto, para que ocorra transferência de calor entre dois corpos é necessário que ambos possuam diferentes temperaturas, pois dessa forma, o calor irá fluir sempre do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.

BIBLIOGRAFIA

http://penta3.ufrgs.br/CESTA/fisica/calor/condutoreseisolantes.html

http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/esolar/esolar.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor

UFSM Transmissão de calor Prof. Ademar Michels

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