MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA EM FORMA DE CALOR CONTEÚDOS: CONDUÇÃO TÉRMICA CONVECÇÃO RADIAÇÃO

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA EM FORMA DE CALOR É importante entender a que taxa a energia, em forma de calor, é transferida entre o sistema e sua vizinhança É importante compreender, também, os mecanismos responsáveis por essa transferência. Assim vamos considerar os três mecanismos mais comuns para a transferência de energia em forma de calor.

1. CONDUÇÃO TÉRMICA Trata-se do processo de transferência de energia em forma de calor que se encontra mais associado à diferença de temperaturas. À escala atómica, a energia se transfere como consequência do processo de troca de energia cinética entre partículas microscópicas – moléculas, átomos e electrões livres - durante o qual as partículas menos energéticas ganham energia nas colisões com as partículas mais energéticas.

Condução Térmica (Cont.) A taxa de transferência de energia térmica depende das propriedades da substância a ser aquecida. No geral, os metais são bons condutores térmicos; pois contém um nº elevado de electrões relativamente livres e que estão disponíveis para transportar energia ao longo de grandes distâncias no seio do meio. Assim, nos materiais bons condutores térmicos a transferência de energia ocorre tanto pela vibração dos átomos, como por meio do movimento dos electrões livres.

Condução Térmica (Cont.) Materiais como asbesto(fibra incombustível), papel, fibra e os gases são maus condutores térmicos. A condução térmica só ocorre se há diferença de temperatura entre as partes do meio condutor e é única forma de transferência de energia nos sólidos opacos. Considere uma chapa dum dado material de espessura e área de secção transversal A. Uma face está à temperatura T1 e a outra está à temperatura T2 tal que T2>T1.

Condução Térmica (Cont.) Experimentalmente, pode-se verificar que o calor transferido, Q, durante um intervalo de tempo flui a partir da face quente para a face fria. A taxa com que a energia flui é proporcional à:

Condução Térmica (Cont.) Para uma chapa de espessura infinitesimal dx e diferença de temperatura dT a lei de condução térmica pode ser escrita: Onde k é constante de proporcionalidade e chama-se condutividade térmica do material e é o gradiente de temperatura. A temperatura da barra em função do tempo e da posição considerada é obtida resolvendo a equação de calor

Condução Térmica (Cont.) Consideremos uma barra comprida e uniforme de comprimento L, termicamente isolada na superfície excepto nas extremidades que estão em contacto com fontes de calor tal que . T2 Fluxo de calor T1 Isolante

Condução Térmica (cont) Quando se alcançar o estado estacionário, a temperatura em todos os pontos ao longo da barra permanece constante. Se k for independente de T , então é o mesmo em qualquer ponto ao longo da barra e é igual a Materiais bons condutores térmicos têm k de valores elevados e os melhores isoladores térmicos têm k de valores baixos.

Condução térmica (cont.) Para uma composição de várias chapas de diferentes materiais e com espessuras e condutividades térmicas , a taxa de transferência de energia no estado estacionário é dada por: onde T2 e T1 são as temperaturas das faces externas as quais são mantidas constantes e N.B: A condução também ocorre nos líquidos e gases, mas nesses meios a transferência é dominada pela convecção

2. CONVECÇÃO Na convecção, a transferência de energia em forma de calor está associada ao movimento de um fluido entre zonas a diferentes temperaturas. A energia é assim transportada de um sítio para outro juntamente com o meio material Como o movimento contínuo traz para a fonte de calor o fluido não aquecido, a convecção produz transferência de energia mais rapidamente do que condução através do fluído estacionário.

Convecção (cont) Considere o fluido próximo da superfície no estado estacionário e considere a energia térmica fluíndo através duma camada fronteira, idealizada, de espessura δ e área de secção transversal A. Seja Ts a temperatura da superfície e Tf a temperatura da camada fronteira e temperatura do fluído que está longe da superfície. Assim:

Convecção (cont) Se o movimento resulta da diferença de densidades entre partes da substância, devido ao fenómeno de dilatação, chama-se convecção livre ou natural. (Ex: o fluxo de ar na praia, as grandes correntes oceânicas e a circulação geral da atmosfera) Quando a substância é forçada a mover-se por agente externo (ex: ventoinha e bomba em alguns sistemas de aquecimento à água ou ar quentes) chama-se convecção forçada.

RADIAÇÃO: A energia térmica é transferida sem a intervenção de qualquer meio material. Todos os objectos radiam energia continuamente em forma de ondas electromagnéticas produzidas por vibrações térmicas das moléculas. A taxa com que o objecto radia energia é proporcional à 4ª potência da sua temperatura absoluta de acordo com a lei de Stefan:

RADIAÇÃO (CONT) Onde é a constante de Stefan-Boltzmann, A é a área da superfície do objecto e e é a emissividade , tal que O valor da emissividade depende das propriedades da superfície do objecto e é igual a fracção da radiação incidente que é absorvida pela superfície. A medida que o objecto radia energia a determinada taxa dada pela equação que traduz a lei de Stefan, também absorve radiação electromagnética.

Radiação (cont) A energia que o objecto absorve provém da sua vizinhança, a qual consiste de outros objectos que radiam energia. Se T é a temperatura do objecto e, To a temperatura da vizinhança, então a energia resultante ganha ou perdida em cada segundo pelo objecto no processo de radiação é: Quando o objecto está em equilíbrio térmico

Radiação (cont) com a sua vizinhança radia e absorve energia na mesma taxa e, assim a sua temperatura permanece constante. Quando o objecto está mais quente que a sua vizinhança ele emite mais energia do que absorve e, a sua temperatura diminui. Um absorvedor ideal é definido como sendo o objecto cuja superfície absorve toda a radiação nela incidente. Para tal objecto e = 1

Radiação (cont.) Tal objecto é chamado corpo negro. Um absorvedor ideal é também um irradiador ideal de energia. Em contraste, um objecto para o qual e = 0 não absorve nenhuma energia nele incidente. Um tal objecto reflecte toda a energia incidente e se chama reflector ideal.