6.1.1. O
que é e como se processa?
Transferência de
Calor (ou Calor) é energia em trânsito devido a
uma diferença de temperatura. Sempre que
existir uma diferença de temperatura em um meio
ou entre meios ocorrerá transferência de calor.
Por exemplo, se
dois corpos a diferentes temperaturas são
colocados em contato direto, como mostra a
figura 1.1, ocorrera uma transferência de calor
do corpo de temperatura mais elevada para o
corpo de menor temperatura até que haja
equivalência de temperatura entre eles. Dizemos
que o sistema tende a atingir o equilíbrio
térmico.
Está implícito
na definição acima que um corpo nunca contém
calor, mas calor é identificado com tal quando
cruza a fronteira de um sistema. O calor é,
portanto um fenômeno transitório, que cessa
quando não existe mais uma diferença de
temperatura.
Os diferentes
processos de transferência de calor são
referidos como mecanismos de transferência de
calor. Existem três mecanismos, que podem ser
reconhecidos assim:
· Quando
a transferência de energia ocorrer em um meio
estacionário, que pode ser um sólido ou um
fluido, em virtude de um gradiente de
temperatura, usamos o termo transferência de
calor por condução. A figura 1.2 ilustra a
transferência de calor por condução através de
uma parede sólida submetida à uma diferença de
temperatura entre suas faces.
· Quando
a transferência de energia ocorrer entre uma
superfície e um fluido em movimento em
virtude da diferença de temperatura entre eles,
usamos o termo transferência de calor por
convecção. A figura 1.3 ilustra a transferência
de calor de calor por convecção quando um fluido
escoa sobre uma placa aquecida.
· Quando,
na ausência de um meio interveniente,
existe uma troca líquida de energia (emitida na
forma de ondas eletromagnéticas) entre duas
superfícies a diferentes temperaturas, usamos o
termo radiação. A figura 1.4 ilustra a
transferência de calor por radiação entre duas
superfícies a diferentes temperaturas.
6.1.2.
Mecanismos Combinados
Na maioria das
situações práticas ocorrem ao mesmo tempo dois
ou mais mecanismos de transferência de calor
atuando ao mesmo tempo. Nos problemas da
engenharia, quando um dos mecanismos domina
quantitativamente, soluções aproximadas podem
ser obtidas desprezando-se todos, exceto o
mecanismo dominante. Entretanto, deve ficar
entendido que variações nas condições do
problema podem fazer com que um mecanismo
desprezado se torne importante.
Como exemplo de
um sistema onde ocorrem ao mesmo tempo vários
mecanismos de transferência de calor
consideremos uma garrafa térmica. Neste caso,
podemos ter a atuação conjunta dos seguintes
mecanismos esquematizados na figura 1.5:
Melhorias estão
associadas com (1) uso de superfícies
aluminizadas (baixa emissividade) para o frasco
e a capa de modo a reduzir a radiação e (2)
evacuação do espaço com ar para reduzir a
convecção natural.
6.1.3.
Sistemas de Unidades
As dimensões
fundamentais são quatro: tempo, comprimento,
massa e temperatura. Unidades são meios
de expressar numericamente as dimensões.
Apesar de ter
sido adotado internacionalmente o sistema
métrico de unidades denominado sistema
internacional (S.I.), o sistema inglês e o
sistema prático métrico ainda são amplamente
utilizados em todo o mundo. Na tabela 1.1 estão
as unidades fundamentais para os três sistemas
citados:
Unidades
derivadas mais importantes para a transferência
de calor, mostradas na tabela 1.2, são obtidas
por meio de definições relacionadas a leis ou
fenômenos físicos:
·Lei de
Newton: Força é igual ao produto de massa por
aceleração (F = m.a), então :
1 Newton (N)
é a força que acelera a massa de 1 Kg
a 1 m/s2
·Trabalho
(Energia) tem as dimensões do produto da força
pela distância ( W = F.x ), então :
1 Joule (J )
é a energia despendida por uma força de 1
N em 1 m
·Potência
tem dimensão de trabalho na unidade de tempo (P
= W/ t), então:
1 Watt (W)
é a potência dissipada por uma força de 1
J em 1 s
As unidades mais
usuais de energia ( Btu e Kcal ) são baseadas em
fenômenos térmicos, e definidas como :
· Btu é
a energia requerida na forma de calor para
elevar a temperatura de 1lb de água de 67,5 ºF a
68,5 ºF
· Kcal é
a energia requerida na forma de calor para
elevar a temperatura de 1 kg de água de 14,5 ºC
a 15,5 ºC
Em relação ao
calor transferido, as seguintes unidades que
são, em geral, utilizadas:
-
fluxo de calor transferido (potência): W, Btu/h,
Kcal/h.
Q - quantidade
de calor transferido (energia): J, Btu, Kcal.
Uma das técnicas
utilizadas para a detecção de um incêndio dentro
de um ambiente consiste em encostarmos a mão na
porta ou na parede, sentindo assim a temperatura
da mesma. O que acontece, termodinamicamente no
momento do contato? Definindo nossa mão como um
sistema A e a porta como um sistema B,
reconhecemos que A recebe calor de B (através da
fronteira). Em conseqüência, a energia interna
de A começa a subir e daí sua temperatura. Pelo
contato térmico, há transferência de calor de B
para A.
Formalizando,
podemos dizer que condução de calor é a troca de
energia entre sistemas ou partes de um mesmo
sistema em diferentes temperaturas que ocorre
pela interação molecular (impacto) onde
moléculas de alto nível energético transferem
energia às outras, como acontece com gases e
mais intensamente com líquidos, pois neste caso,
as moléculas estão bem mais próximas. Para
sólidos não metálicos, o mecanismo básico de
condução está associado às vibrações das
estruturas eletrônicas e para os metais, os
elétrons livres, que podem se mover na estrutura
cristalina, entram em cena, aumentando a
intensidade da difusão (condução) de energia.
Assim, materiais que forem bons condutores
elétricos serão bons condutores térmicos, uma
vez que os mecanismos de operação sejam os
mesmos.
6.2.1. Lei
de Fourier
A lei de Fourier
foi desenvolvida a partir da observação dos
fenômenos da natureza em experimentos.
Imaginemos um
experimento onde o fluxo de calor resultante é
medido após a variação das condições
experimentais. Consideremos, por exemplo, a
transferência de calor através de uma barra de
ferro com uma das extremidades aquecidas e com a
área lateral isolada termicamente, como mostra a
figura 1.6:
Com base em
experiências, variando a área da seção da barra,
a diferença de temperatura e a distância entre
as extremidades, chega-se a seguinte relação de
proporcionalidade:
A
proporcionalidade pode se convertida para
igualdade através de um coeficiente de
proporcionalidade e a Lei de Fourier pode ser
enunciada assim: A quantidade de calor
transferida por condução, na unidade de tempo,
em um material, é igual ao produto das seguintes
quantidades:
(eq.
1.1)
,
fluxo de calor por condução ( Kcal/h no sistema
métrico);
k,
condutividade térmica do material;
A,
área da seção através da qual o calor flui,
medida perpendicularmente à direção do fluxo (m2);
dT/ dx,
razão de variação da temperatura T com a
distância, na direção x do fluxo de calor ( ºC/h
)
ÞA razão
do sinal menos na equação de Fourier é que a
direção do aumento da distância x deve ser a
direção do fluxo de calor positivo. Como o calor
flui do ponto de temperatura mais alta para o de
temperatura mais baixa (gradiente negativo), o
fluxo só será positivo quando o gradiente for
positivo (multiplicado por -1).
O fator de
proporcionalidade k (condutividade
térmica) que surge da equação de Fourier é uma
propriedade de cada material e vem exprimir
maior ou menor facilidade que um material
apresenta à condução de calor. Sua unidade é
facilmente obtida da própria equação de Fourier,
por exemplo, no sistema prático métrico temos:
No sistema
inglês fica assim: 
No sistema
internacional (SI), fica assim: 
Os valores
numéricos de k variam em extensa faixa
dependendo da constituição química, estado
físico e temperatura dos materiais. Quando o
valor de k é elevado o material é considerado
condutor térmico e, caso contrário,
isolante térmico. Com relação à temperatura,
em alguns materiais como o alumínio e o cobre, o
k varia muito pouco com a temperatura, porém em
outros, como alguns aços, o k varia
significativamente com a temperatura. Nestes
casos, adota-se como solução de engenharia um
valor médio de k em um intervalo de temperatura.
