Leis de transferência de calor, formas de transmissão, exemplos

Existe transferência de calor Quando a energia vai de um corpo para outro devido à diferença de temperatura entre os dois. O processo de transferência de calor cessa assim que as temperaturas dos corpos em contato são equalizadas ou quando o contato entre eles é suprimido.

A quantidade de energia transferida de um corpo para outro em um determinado período de tempo é chamado Transferido de calor. Um corpo pode dar calor para outro, ou pode absorvê -lo, mas o calor sempre vai do corpo de temperatura mais alto para a temperatura mais baixa.

figura 1. Em uma fogueira, os três mecanismos de transferência de calor são dados: direção, convecção e radiação. Fonte: Pixabay.

As unidades de calor são as mesmas que as de energia e no sistema internacional de medidas (SI) é o joule (J). Outras unidades de calor frequentemente usadas são calorias e btu. 

Quanto às leis matemáticas que governam a transferência de calor, elas dependem do mecanismo que intervém na troca. 

Quando o calor é conduzido de um corpo para outro, a velocidade com que o calor é trocada é proporcional ao diferencial de temperatura. Isso é conhecido como o Lei de Fourier de condutividade térmica, o que leva ao Lei de refrigeração de Newton.

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Mecanismos de transmissão de formulários/calor

São as maneiras pelas quais o calor pode ser trocado entre dois corpos. Três mecanismos são reconhecidos:

-Dirigindo

-Convecção

-Radiação

Em uma panela como a mostrada na figura acima, existem esses três mecanismos de transferência de calor:

-O metal da panela é aquecido principalmente dirigindo.

-Água e ar calor e ascensão por convecção.

-Pessoas próximas à panela são aquecidas pela radiação emitida.

Dirigindo

A condução de calor ocorre principalmente em sólidos e, em particular, em metais.

Por exemplo, a buzina da cozinha transmite calor para alimentos dentro da panela através do mecanismo de acionamento de metal e as paredes de metal do recipiente. Na condução térmica, não há transporte material, apenas energia.

Convecção

O mecanismo de convecção é típico de líquidos e gases. Quase sempre estes são menos densos a uma temperatura mais alta, por esse motivo, há um transporte de calor no sentido ascendente do fluido mais quente para as regiões altas com o fluido mais frio. No mecanismo de convecção, há transporte material. 

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Radiação

Por sua parte, o mecanismo de radiação permite a troca de calor entre dois corpos, mesmo quando eles não estão em contato. O exemplo imediato é o sol, que aquece a terra através do espaço vazio entre os dois. 

Todos os corpos emitem e absorvem a radiação eletromagnética. Se você tem dois corpos a temperaturas diferentes, mesmo estando no vácuo, depois de um tempo eles atingirão a mesma temperatura devido à troca calórica de radiação eletromagnética.

Velocidade de transferência calórica

Nos sistemas termodinâmicos em equilíbrio, importa a quantidade de calor total trocado com o ambiente, de modo que o sistema passa de um equilíbrio para outro.

Por outro lado, a transferência de calor, o interesse se concentra no fenômeno transitório, quando os sistemas ainda não atingiram o equilíbrio térmico. É importante observar que a quantidade de calor é trocada em um certo período de tempo, ou seja, há uma velocidade de transferência de calor.

Exemplos

- Exemplos de condução de calor

Na condutividade térmica, a energia térmica é transmitida por colisões entre os átomos e moléculas do material, seja esse sólido, líquido ou gás. 

Sólidos são melhores condutores térmicos do que gases e líquidos. Nos metais, existem elétrons livres que podem se mover em metal.

Como os elétrons livres têm grande mobilidade, eles são capazes de transmitir energia cinética por colisões com mais eficiência, de modo que os metais têm alta condutividade térmica.

Do ponto de vista macroscópico, a condutividade térmica é medida como a quantidade de calor transferido por unidade de tempo, ou corrente calórica H:

Figura 2. Condução de calor através de um bar. Preparado por Fanny Zapata.

A corrente calórica H é proporcional à seção transversal PARA e à variação de temperatura por unidade de distância longitudinal.

A fórmula anterior é conhecida como Lei de Fourier e a proporcionalidade constante k É condutividade térmica. 

Esta equação é aplicada para calcular a corrente calórica H de uma barra como a da Figura 2, que está entre dois reservatórios de temperatura T₁ e T₂ respectivamente, sendo T₁> T₂.

Condutividades térmicas de materiais

Abaixo, há uma lista da condutividade térmica de alguns materiais de watt em Kelvin: w/(M . K) 

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Alumínio -205

Cobre -385

Prata --400

Aço -50

Cortiça ou fibra de vidro- 0,04

Concreto ou vidro -0,8

Madeira- 0,05 a 0,015

Ar - 0,024

- Exemplos de calor por convecção

Na convecção do calor, a energia é transferida devido ao movimento do fluido, que, a diferentes temperaturas, tem diferentes densidades. Por exemplo, ao ferver água em uma panela, a água próxima ao fundo aumenta sua temperatura, então dilata.

Essa dilatação faz com que a água quente suba, enquanto o frio baixo ocupa o espaço deixado pela água quente que escalou. O resultado é um movimento de circulação que continua até que as temperaturas de todos os níveis sejam iguais.

A convecção é aquela que determina o movimento das grandes massas de ar da atmosfera da Terra e também determina a circulação das correntes marinhas.

- Exemplos de calor por radiação

Nos mecanismos de transmissão de calor por condução e convecção, a presença de um material é necessária para que o calor seja transmitido. Por outro lado, no mecanismo de radiação, o calor pode passar de um corpo para outro através do vazio.

Este é o mecanismo pelo qual o sol, a uma temperatura mais alta que a terra, transmite energia ao nosso planeta diretamente pelo vazio do espaço. A radiação nos chega por ondas eletromagnéticas.

Todos os materiais são capazes de emitir e absorver radiação eletromagnética. A frequência máxima emitida ou absorvida depende da temperatura do material e a referida frequência cresce com a temperatura.

O comprimento de onda predominante no espectro de emissão ou absorção de um corpo preto segue o Lei de Wien, que estabelece que o comprimento de onda predominante é proporcional ao inverso da temperatura do corpo.

Por outro lado, o poder (em watts) com o qual um corpo emite ou absorve a energia calórica por radiação eletromagnética é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta. Isso é conhecido como o Lei Stefan:

P = εaσt⁴

Na expressão anterior σ É constante de Stefan e seu valor é 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. PARA É a área da superfície do corpo e ε É a emissividade do material, uma constante sem dimensões cujo valor está entre 0 e 1 e depende do material.

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Exercício resolvido

Considere o bar na Figura 2. Suponha que a barra tenha 5 cm de comprimento, 1 cm de raio e seja de cobre.

A barra é colocada entre duas paredes que mantêm sua temperatura constante. A primeira parede tem uma temperatura T1 = 100ºC, enquanto a outra está em T2 = 20ºC. Determinar:

para.- O valor da corrente térmica H

b.- A temperatura da barra de cobre a 2 cm, 3 cm e 4 cm da parede de temperatura T1.

Solução para

Como a barra de cobre é colocada entre duas paredes cujas paredes mantêm a mesma temperatura o tempo todo, pode -se dizer que está no regime estacionário. Ou seja, a corrente térmica H tem o mesmo valor para qualquer momento.

Para calcular essa corrente, aplicamos a fórmula que relaciona o H atual à diferença de temperatura e o comprimento da barra.

Como a barra é de cobre, sabemos na tabela mostrada anteriormente que sua condutividade térmica K comprovante: 385 w/(m k).

A seção transversal é:

A = πr² = 3,14*(1 × 10^-2m)² = 3,14 x 10^-4 m²

A diferença de temperatura entre as extremidades da barra é

Δt = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 m

H = 385 w/(m k) * 3,14 x 10^-4 m² * (80k /5 x 10^-2 m) = 193,4 W

Essa corrente é a mesma em qualquer ponto do bar e a qualquer momento, uma vez que o regime estacionário foi alcançado.

Solução b

Nesta parte, somos solicitados a calcular a temperatura Tp em um ponto P Localizado à distância XP Em relação à parede T₁.

A expressão que dá a corrente calórica H no ponto P é:

H = k a (t₁ -Tp)/(xp)

A partir desta expressão, pode ser calculado Tp através:

Tp = t₁ - (H xp) / (k a) = 373 K - (193,4 W / (385 W / (M K) 3,14 x 10^-4 m²))*XP

TP = 373 K - 1620,4 (K/M) * XP

Vamos calcular a temperatura Tp Nas posições 2 cm, 3 cm e 4 cm, respectivamente, substituindo valores numéricos:

• Tp = 340,6k = 67,6 ºC; 2 cm de T1
• Tp = 324.4k = 51,4 ºC; 3 cm de T1
• Tp = 308,2k = 35,2 ºC; 4 cm de T1

Referências

1. Figueroa, d. 2005. Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 5. Fluidos e termodinâmica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Física: uma olhada no mundo. 6ª edição abreviada. Cengage Learning.
3. Lay, j. 2004. Física geral para engenheiros. Usach.
4. Mott, r. 2006. Mecânica de fluidos. 4º. Edição. Pearson Education. 
5. Vias estranhas, i. 2003. Medindo o ambiente natural. 2º. Edição. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Condutividade térmica. Recuperado de: é.Wikipedia.com