Transferência de calor: leis, formas de transmissão, exemplos - Ciência - 2023

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Existe transferência de calor quando a energia passa 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 se igualarem ou quando o contato entre eles for removido.

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

As unidades de calor são iguais às de energia e no sistema internacional de medidas (SI) é o joule (J). Outras unidades de calor usadas com frequência são as calorias e o BTU.

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

Quando o calor é conduzido de um corpo para outro, a taxa na qual o calor é trocado é proporcional ao diferencial de temperatura. Isso é conhecido como Lei de Fourier de condutividade térmica, o que leva a Lei de resfriamento de Newton.

Formas / mecanismos de transmissão de calor

Eles são os meios pelos 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 estes três mecanismos de transferência de calor:

-O metal na panela é aquecido principalmente por condução.

-A água e o ar são aquecidos e sobem por convecção.

-As pessoas próximas à panela são aquecidas pela radiação emitida.

Dirigindo

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

Por exemplo, o fogão da cozinha transmite calor aos alimentos dentro da panela através do mecanismo de condução através do metal do fundo e das paredes metálicas do recipiente. Na condução térmica não há transporte de materiais, apenas energia.

Convecção

O mecanismo de convecção é típico de líquidos e gases. Estes são quase sempre menos densos em temperaturas mais altas, por essa razão há um transporte ascendente de calor das porções de fluido mais quentes para as regiões mais altas com porções de fluido mais frias. No mecanismo de convecção existe o transporte do material.

Radiação

Por sua vez, o mecanismo de radiação permite a troca de calor entre dois corpos, mesmo quando não estão em contato. O exemplo imediato é o Sol, que aquece a Terra por meio do espaço vazio entre eles.

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

Taxa de transferência de calor

Nos sistemas termodinâmicos em equilíbrio, a quantidade de calor total trocada com o meio ambiente é importante, de modo que o sistema passa de um estado de equilíbrio para outro.

Por outro lado, na transferência de calor, o interesse está voltado para o fenômeno transitório, quando os sistemas ainda não atingiram o equilíbrio térmico. É importante observar que a quantidade de calor é trocada em um determinado 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 meio de colisões entre os átomos e as moléculas do material, seja ele sólido, líquido ou gasoso.

Os sólidos são melhores condutores de calor do que gases e líquidos. Nos metais, existem elétrons livres que podem se mover através do metal.

Como os elétrons livres têm grande mobilidade, eles são capazes de transmitir energia cinética por meio de colisões de forma mais eficiente, por isso os metais apresentam 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:

Corrente calórica H é proporcional à seção transversal da área PARA e a variação de temperatura por unidade de distância longitudinal.

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

Condutividades térmicas de materiais

Abaixo está uma lista da condutividade térmica de alguns materiais em watts por metro por kelvin: W / (m. K)

Alumínio ---- 205

Cobre ----- 385

Prata ----- 400

Aço -----– 50

Cortiça ou fibra de vidro - 0,04

Betão ou vidro --- 0,8

Madeira --- 0,05 a 0,015

Ar ----– 0,024

- Exemplos de calor de convecção

Na convecção de calor, a energia é transferida devido ao movimento do fluido, que, em diferentes temperaturas, tem diferentes densidades. Por exemplo, quando a água é fervida em uma panela, a água perto do fundo aumenta sua temperatura, então ela se expande.

Essa expansão faz com que a água quente suba, enquanto a fria desce para ocupar o espaço deixado pela água quente que subiu. O resultado é um movimento de circulação que continua até que as temperaturas de todos os níveis se igualem.

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

- Exemplos de radiação de calor

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

Este é o mecanismo pelo qual o Sol, a uma temperatura superior à da Terra, transmite energia ao nosso planeta diretamente através do vácuo do espaço. A radiação chega até nós por meio de ondas eletromagnéticas.

Todos os materiais são capazes de emitir e absorver radiação eletromagnética. O máximo da frequência emitida ou absorvida depende da temperatura do material e essa frequência aumenta com a temperatura.

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

Por outro lado, a potência (em watts) com que um corpo emite ou absorve energia térmica por radiação eletromagnética é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta. Isso é conhecido como lei de stefan:

P = εAσT⁴

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

Exercício resolvido

Considere a barra na Figura 2. Suponha que a barra tenha 5 cm de comprimento, 1 cm de raio e seja feita 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:

a.- O valor da corrente térmica H

b.- A temperatura da barra de cobre a 2 cm, a 3 cm e a 4 cm da temperatura da parede 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 se encontra em estado estacionário. Em outras palavras, a corrente térmica H tem o mesmo valor para qualquer instante.

Para calcular esta corrente aplicamos a fórmula que relaciona a corrente H com a diferença de temperaturas e o comprimento da barra.

A área da 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

Esta corrente é a mesma em qualquer ponto da barra e em qualquer instante, desde que o estado estacionário tenha sido 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 isto 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 os valores numéricos:

Tp = 340,6K = 67,6 ° C; 2 cm de T1
Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm de T1
Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm de T1

Referências

Figueroa, D. 2005. Série: Física para Ciências e Engenharia. Volume 5. Fluidos e termodinâmica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6ª edição resumida. Cengage Learning.
Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4º. Edição. Pearson Education.
Strangeways, I. 2003. Measuring the Natural Environment. 2ª Edição. Cambridge University Press.
Wikipedia. Condutividade térmica. Recuperado de: es.wikipedia.com