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.