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Prof. Msc. Fernando Ernesto Ucker 03 de abril de 2013.

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1 Prof. Msc. Fernando Ernesto Ucker 03 de abril de 2013

2 AULA 1 - AULA 1 - IMPORTÂNCIA Praticamente todos os sistemas envolvidos na engenharia estão direta ou indiretamente ligados com a transferência de calor. Portanto, para que estes sistemas sejam bem executados, é necessário ao engenheiro conhecer bem os mecanismos físicos de transferência de calor.

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7 O QUE É? A transferência de calor pode ser definida como a transferência de energia de uma região para outra como resultado de uma diferença de temperatura entre elas.

8 Ao nível molecular, a transferência de calor está fundamentalmente associada ao choque entre moléculas com diferentes graus de agitação, onde uma molécula mais veloz choca-se com uma molécula menos veloz, "transferindo" energia cinética. Este mecanismo se chama difusão de energia térmica. COMO OCORRE?

9 O QUE É? Por exemplo: Se dois corpos, com diferentes temperaturas, são colocados em contato direto, o que ocorrerá?

10 O QUE É? Por exemplo: Se dois corpos, com diferentes temperaturas, são colocados em contato direto, o que ocorrerá? Ocorrerá uma transferência de calor do corpo com temperatura maior para o corpo com temperatura menor, até estabilização.

11 O QUE É? Por exemplo: Se dois corpos, com diferentes temperaturas, são colocados em contato direto, o que ocorrerá? Ocorrerá uma transferência de calor do corpo com temperatura maior para o corpo com temperatura menor, até estabilização.

12 O QUE É? Assim que ambos os corpos estabilizarem a temperatura, dizemos que ocorreu um equilíbrio térmico. Os diferentes processos de transferência de calor são denominados como mecanismos de transferência de calor, e são divididos em três:

13 O QUE É? Assim que ambos os corpos estabilizarem a temperatura, dizemos que ocorreu um equilíbrio térmico. Os diferentes processos de transferência de calor são denominados como mecanismos de transferência de calor, e são divididos em três: CONDUÇÃO; RADIAÇÃO; CONVECÇÃO.

14 CONDUÇÃO

15 Nos corpos sólidos, as moléculas apresentam forte ligação entre si, gerando uma estrutura fixa. Assim, mesmo com a transferência de energia cinética de uma molécula para outra, não ocorre alteração da posição espacial das moléculas. Ou seja, as moléculas trocam energia entre si, mas não mudam de lugar no espaço.

16 No experimento demonstrado, uma barra metálica é aquecida em uma de suas extremidades. Observa-se que a temperatura é diferente em cada ponto da barra. As moléculas próximas à chama recebem calor e são violentamente agitadas. Pelo contato com as moléculas mais próximas, transferem parte da energia recebida para estas últimas, e assim sucessivamente.

17 Equação de transferência de calor por condução Como visto, a condução está associada à transferência de calor por difusão nos corpos sólidos, ou seja, sem a movimentação das moléculas. Do ponto de vista prático, interessa-nos poder calcular a quantidade de calor que é transferida pelo mecanismo da condução.

18 Equação de transferência de calor por condução Considere um objeto sólido (como por exemplo uma placa plana), de espessura L, cujas faces estejam às temperaturas T1 e T2, sendo que T1 > T2. Então, existirá através da placa um fluxo de calor, expresso pela Lei de Fourier:

19 Equação de transferência de calor por condução T = é a diferença de temperatura entre as faces da placa, [K] L = espessura da parede, [m] q = fluxo de calor, [W. m -2 ] k = constante de proporcionalidade, chamada de condutividade térmica, e que depende do material de que é feita a placa

20 Note que o fluxo de calor representa a taxa de transferência de calor por unidade de área, ou seja, por cada metro quadrado de área superficial da parede. A taxa de transferência de calor total, através da parede, será obtida multiplicando-se o fluxo de calor pela área superficial da parede, ou seja:

21 T = é a diferença de temperatura entre as faces da placa, [K] L = espessura da parede, [m] q = fluxo de calor, [W. m -2 ] k = constante de proporcionalidade, chamada de condutividade térmica, e que depende do material de que é feita a placa A = área transversal da parede, [m²] Q = taxa de transferência de calor, [W]

22 EXERCÍCIO 1 A parede de um forno industrial é construída de um tijolo de 0,15 m de espessura, com condutividade térmica de 1,7 W/m.K. As temperaturas nas faces interna e externa da parede são respectivamente 1400 e 1150 K. Qual é a perda de calor através de uma parede de 0,5 m por 3 m?

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25 Quantidade de calor que passa por cada metro quadrado da parede.

26 Qual a quantidade total de calor?

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28 RESISTÊNCIA TÉRMICA DE CONDUÇÃO

29 No estudo da eletricidade, observa-se que, havendo uma diferença de potencial elétrico V entre as extremidades de um condutor elétrico de resistência R, existirá uma corrente elétrica i através do condutor, dada pela "Lei de Ohm":

30 A Lei de Fourier pode ser vista de uma maneira conceitualmente similar. A diferença de temperatura através de um material é a função potencial ou motora, ou seja, é a força que faz com que exista uma transferência de calor através deste material, similarmente à diferença de potencial elétrico.

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32 EXERCÍCIO 2 Calcular a resistência térmica de condução de uma parede de alvenaria, de 2,5 por 3,0 m, cuja espessura é de 30 cm? A condutividade térmica da alvenaria é de 1,0 W/m.K.

33 EXERCÍCIO 2 Calcular a resistência térmica de condução de uma parede de alvenaria, de 2,5 por 3,0 m, cuja espessura é de 30 cm? A condutividade térmica da alvenaria é de 1,0 W/m.K.

34 EXERCÍCIO 3 Qual a taxa de transferência de calor na parede do exemplo anterior, se for submetida a uma diferença de temperatura de 30 °C entre suas faces?

35 EXERCÍCIO 3 Qual a taxa de transferência de calor na parede do exemplo anterior, se for submetida a uma diferença de temperatura de 30 °C entre suas faces?

36 CONDUÇÃO EM PAREDES COMPOSTAS

37 Exemplos de paredes compostas ????

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42 Vamos agora partir para a solução de problemas mais complexos. Imagine o caso onde mais de um material está presente, como é o caso da parede abaixo, que chamamos de parede composta:

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44 EXERCÍCIO 4 A parede externa de uma casa é composta por uma camada de 20 cm de espessura de tijolo comum e uma camada de 5 cm de gesso. Qual a taxa de transferência de calor por unidade de área, se a face externa da parede se encontra à 35 °C e a face interna à 20 °C?

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46 Exercício para casa (entregar) Do exercício anterior, calcule a espessura de isolamento do material lã de rocha, com k = 0,065 W/m.K, que deverá ser adicionada à parede, para que se reduza a transferência de calor em 80%? R: 0,103 m

47 PRÓXIMA AULA: SISTEMAS RADIAIS CONVECÇÃO RADIAÇÃO


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