Aula 1 - Fundamentos de Ciências Térmicas CEFET_BA PROFº DIÓGENES GANGHIS

“Capacidade de realizar trabalho”. Definições iniciais Energia (uma definição): “Capacidade de realizar trabalho”. Formas de energia: - Cinética (movim. macroscópico, térmica etc) - Potencial (elétrica, gravitacional, elástica etc) Matéria: “Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço.” Principais estados da matéria: Sólido, Líquido e gasoso. (http://www.materiaprima.pro.br/estados/Estados.htm)

Principais Estados da Matéria Sólido Forma rígida; Arranjo compacto, ordenado; Volume definido; Movimento molecular restrito. Líquido Forma indefinida; Arranjo desordenado; Volume definido; Partículas movem-se umas entre as outras. Gás Forma indefinida; Arranjo totalmente desordenado; Volume indefinido; Partículas livres para se moverem.

Temperatura: Noção intuitiva Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico. T1 T2 T1 > T2 T contato T1 > Teq > T2

Calor (uma definição): Calor e sua propagação Calor (uma definição): “Calor é a energia térmica em trânsito, devido a uma diferença de temperatura entre os corpos”. Há transferência líquida de calor, espontaneamente, do corpo mais quente para o corpo mais frio.

Unidades de medida de calor caloria – cal Joule – J British thermal unit – Btu O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb de água de 63°F para 64°F. Joule - unidade adotada pelo SI para energia. A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para se elevar de 14,5°C para 15,5°C uma quantidade de 1g de água.

Convenção para a Troca de calor calor recebido calor retirado Q > 0 Q < 0

Troca de Calor Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio. Em um sistema isolado, a quantidade total de calor trocado entre os corpos é nula, ou seja, o calor total recebido pelos corpos mais frios é igual ao calor total retirado dos corpos mais quentes. ... 3 2 1 = + n Q

Transferência de calor: Termodinâmica: Estuda as interações (trocas de energia) entre um sistema e suas vizinhanças. Transferência de calor: Indica como ocorre e qual a velocidade com que o calor é transportado.

A temperatura pode aumentar ou não. O que ocorre com a temperatura de um corpo quando se transfere calor a ele?? A temperatura pode aumentar ou não.

Q = C DT = m c DT Calor sensível Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico. Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura. Q = C DT = m c DT Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU etc]; C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC]; m = massa do corpo [g, kg]; c = calor específico da substância [J/(kg ºC)]; T = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC].

Calor específico e capacidade calorífica H2O Barra de ferro Calores específicos (a 25ºC e 1 atm) [J/(kg ºC]: H2O = 4200; Gelo (0ºC) =2040 Etanol = 2400; Alumínio = 900; Cobre = 390; Latão = 380; Ferro = 450; Vidro = 840.

Valores de c (25ºC e 1 atm) Calor Específico Calor Específico Molar Substância cal/(g.K) J/(kg.K) J/(mol.K) Sólidos Elementares Chumbo Tungstênio Prata Cobre Alumínio 0,0305 0,0321 0,0564 0,0923 0,215 128 134 236 386 900 26,5 24,8 25,5 24,5 24,4 Outros Sólidos Latão Granito Vidro Gelo ( - 10°C) 0,092 0,19 0,20 0,530 380 790 84 2.220 Líquidos Mercúrio Álcool etílico Água do mar Água doce 0,033 0,58 0,93 1,00 140 2.430 3.900 4.190 Fonte: Halliday

Calor específico para gases Calor sensível a pressão constante: ∆H = Qp = m cp (Tfinal – Tinicial) cp é o calor específico do material a pressão constante; ∆H variação de entalpia do corpo (J, kcal etc.). Calor sensível a volume constante: ∆U = Qv = m cv (Tfinal – Tinicial) cv é o calor específico do material a volume constante; ∆U variação de energia interna do corpo (J, kcal etc.).

Calor Latente Quando o calor trocado é utilizado pela substância para mudar de estado físico, sem variação de temperatura e sob pressão constante, ele é chamado de calor latente. Ex.: fornecimento de calor à água fervente. VAPORIZAÇÃO

Mudança de fase O calor latente de mudança de estado pode ser: endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas pois a matéria precisa absorver calor. exotérmico (Q < 0): As transformações de liquefação, solidificação e sublimação inversa são exotérmicas, pois a matéria precisa liberar calor.

Cálculo da troca de calor latente Q = m L Q (J) quantidade de calor trocado; L (J/kg) calor latente da transformação física; m (kg) a massa que mudou de estado físico. Como a pressão é constante: Q = ∆H → L = h ∆H variação de entalpia da transformação física (J); h entalpia específica da transformação física (J/kg).

Qual a velocidade de uma Troca de Calor? Velocidade  Fluxo de calor A T1 > T2 Q No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.

Temperatura (uma definição): “Grandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos”.

Processos de Transferência de Calor Condução Convecção Radiação térmica Convecção Radiação térmica Condução

Condução Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto. Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar. Característico de meios estacionários. Fonte: www.terra.com.br/fisicanet

Condução de Calor

Condução Calor Condução de calor ao longo de uma barra. Condução de calor ao longo de gás confinado. T1 > T2 A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.

Fluxo de Calor na Condução “Lei de Fourier”: k é a condutividade térmica [W/(m ºC)] k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC) k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 W/(m ºC) k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2 W/(m ºC)

Condutividade Térmica de diversas substâncias

Condução - Aplicações e conseqüências Conforto térmico corporal; Seleção de materiais para empregos específicos na indústria (condutores e isolantes). Por que os iglus são feitos de gelo? k (gelo a 0ºC) = 1,88 W/(m ºC) cp (gelo a 0ºC) = 2040 J/(kg ºC)

Convecção Transmissão através da agitação molecular e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio; Movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas; É o transporte de calor típico dos meios fluidos. Fonte: www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br

Convecção natural e forçada Na convecção natural, ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de diferenças de densidade causadas por variação de temperatura do fluido. Transporte natural de fluidos Convecção natural

Convecção natural e forçada Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos. Convecção forçada Transporte forçado de fluidos

Fluxo de Calor na Convecção “Lei de Newton do Resfriamento”: Área A - h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)]

Coeficiente de transferência de calor por convecção - h Processo h [W/(m2 K)] Convecção natural Gases 2 – 25 Líquidos 50 – 1.000 Convecção forçada Gases 25 – 250 Líquidos 50 – 20.000 Convecção com mudança de fase Ebulição ou condensação 2.500 – 100.000 Fonte: Incropera

Convecção - Aplicações e conseqüências Conforto ambiental; Refrigeração de circuitos elétricos.

Irradiação ou radiação térmica - Toda a matéria que se encontra a uma temperatura acima do Zero Absoluto (0 K) irradia energia térmica. Não necessita de meio material para ocorrer, pois a energia é transportada por meio de ondas eletromagnéticas. É mais eficiente quando ocorre no vácuo.

Radiação Térmica ou Irradiação

Ondas eletromagnéticas

Transmissão de calor por Radiação

Modelos adotados na radiação térmica Reflexão O refletor perfeito (espelho ideal), r = 1. Absorção Um corpo negro (absorvedor perfeito), a = 1. Um corpo cinzento, a < 1. Transmissão Um corpo transparente, t ≠ 0 (zero). Um corpo opaco, t = 0 (zero).  

Transmissão de calor por Radiação Lei dos Intercâmbios: Todo bom absorvedor é um bom emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um mau emissor de radiação térmica. Corpo negro é também o emissor ideal de radiação térmica (radiador ideal)!!!! Corpos Escuros: bons absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: fuligem (a =  = 0,94). Corpos claros e polidos: maus absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: prata polida (a =  = 0,02).

Fluxo de calor na Radiação “Lei de Stefan-Boltzmann”: E – Poder emissivo [W/m2];  – emissividade (0 ≤  ≤ 1); σ – Constante de Stefan-Boltzmann [5,7 x 10-8 W/(m2 K4)]; T – Temperatura absoluta do corpo (K).

Fluxo de calor transferido por radiação Para a troca de calor por radiação entre duas superfícies, uma dentro da outra, separadas por um gás que não interfere na transferência por radiação: Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente; Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior, suposta mais fria.

Radiação Térmica - Aplicações Fonte alternativa de energia; Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infra-vermelho provenientes da terra.

Processos de Transferência de Calor Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações. Trocador de Calor

Resistência térmica Condução Convecção

Mecanismos Combinados de transferência de calor

Mecanismos Combinados de transferência de calor