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Aula 1 - Fundamentos de Ciências Térmicas

CEFET_BA

PROFº DIÓGENES GANGHIS

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Definições iniciaisEnergia (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)

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Gás• Forma indefinida;

• Arranjo totalmente desordenado;

• Volume indefinido;• Partículas livres para se moverem.

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.

sfriaRe

Aquece

sfriaRe

Aquece

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Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.

Temperatura: Noção intuitiva

T1T2

T1 > T2

T T

contato

T1 > Teq > T2

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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.

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Unidades de medida de calorcaloria – calJoule – JBritish thermal unit – Btu

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.

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.

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Convenção para a Troca de calor

calor recebido

calor retirado

Q > 0

Q < 0

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Troca de CalorCorpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio.

0...321 nQQQQ

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.

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• 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.

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O que ocorre com a temperatura de um corpo quando se transfere calor a ele??

A temperatura pode aumentar ou não.

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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 T = m c T

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].

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H2OBarra de

ferroCalores 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.

Calor específico e capacidade calorífica

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Valores de c (25ºC e 1 atm)Calor Específico Calor Específico Molar

Substância cal/(g.K) J/(kg.K) J/(mol.K) Sólidos ElementaresChumboTungstênioPrataCobreAlumínio

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

380 790 840

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

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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.).

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Calor LatenteQuando 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

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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.

Mudança de fase

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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).

Cálculo da troca de calor latente

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Qual a velocidade de uma Troca de Calor?

Velocidade Fluxo de calor

t

Q

tempo de Intervalo

Aárea uma atravessa que calor de Quantidadeq

No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.

A

T1 > T2

Q

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“Grandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos”.

Temperatura (uma definição):

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Processos de Transferência de Calor

• Condução

• Convecção

• Radiação térmica

Condução Convecção Radiação térmica

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Condução

Fonte: www.terra.com.br/fisicanet

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.

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Condução de Calor

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Condução

A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.

Calor

Condução de calor ao longo de uma barra.

Condução de calor ao longo de gás confinado.

T1 > T2

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Fluxo de Calor na Condução

• “Lei de Fourier”:

L

)TT(Akqcond

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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)

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Condutividade Térmica de diversas substâncias

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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)

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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

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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.

Convecção natural e forçada

Transporte natural de fluidos

Convecção natural

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Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos.

Convecção natural e forçada

Convecção forçada

Transporte forçado de fluidos

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Fluxo de Calor na Convecção • “Lei de Newton do Resfriamento”:

)TT(Ahq sconv

- h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)]

Área A

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Coeficiente de transferência de calor por convecção - h

Processo h [W/(m2 K)]

Convecção natural

Gases

Líquidos

2 – 25

50 – 1.000

Convecção forçada

Gases

Líquidos

25 – 250

50 – 20.000

Convecção com mudança de fase

Ebulição ou condensação

2.500 – 100.000

Fonte: Incropera

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Convecção - Aplicações e conseqüências

• Conforto ambiental;

• Refrigeração de circuitos elétricos.

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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.

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Radiação Térmica ou Irradiação

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Ondas eletromagnéticas

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Transmissão de calor por Radiação

itra QQQQ 1 tra

de)(absorvida Q

Qa

i

a )aderefletivid( Q

Qr

i

r )vidadetransmissi( Q

Qt

i

t

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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).  

1tra

Modelos adotados na radiação térmica

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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).

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Fluxo de calor na Radiação

“Lei de Stefan-Boltzmann”:

reais) (corpos

negro) (corpo negro) (corpo

4rad

4

máxima

rad

TA

qE

TA

qE

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).

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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:

44vizinhançaSuperfície

rad TTA

q

Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente;Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior, suposta mais fria.

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Radiação Térmica - Aplicações

• Fonte alternativa de energia;

• Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infra-vermelho provenientes da terra.

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Processos de Transferência de Calor

Trocador de Calor

Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações.

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Resistência térmica

sistema do térmica aresistênci a é R

e térmico potencial o é T onde, R

Tq

Ah

TTAhq

1

AkLT

L

TAkq

Condução Convecção

44

Mecanismos Combinados detransferência de calor

AhAk

L

AhqTTTTTT

Ah

qTT

Ak

LqTT

Ah

qTT

.

1

..

1.

.)(

.

.)(

.)(

21433221

243

32

121

tRtotalT

qRRR

TT

AhAkL

Ah

TTq

321

41

.2

1..1

141

45

Mecanismos Combinados detransferência de calor

A.h1

A.kL

A.kL

A.h1

TT

RRRR

TT

R

Tq

e2

2

1

1

i

51

eisorefi

51

t

total