Termodinâmica – 6

Alexandre Diehl

Departamento de Física - UFPel

TERMO 2

Transferência de calor

Mecanismos (ou processos) de transferência de calor

Definição

Processo gerado num sistema termodinâmico, como resultado de uma diferença de temperatura entre duas porções do sistema.

Condução

Convecção

Radiação

TERMO 3

Transferência de calor

Mecanismos (ou processos) de transferência de calor

Condução

Exige um meio material para a transferência de energia térmica.

Não existe movimento do meio durante a condução.

Os mecanismos responsáveis pela transferência estão ligados às vibrações da rede cristalina e dos elétrons de condução nos metais.

Rede cristalina

Elétrons livres

TERMO 4

Transferência de calor

Mecanismos (ou processos) de transferência de calor

Condução

Exige um meio material para a transferência de energia térmica.

Não existe movimento do meio durante a condução.

Os mecanismos responsáveis pela transferência estão ligados às vibrações da rede cristalina e dos elétrons de condução nos metais.

TERMO 5

Transferência de calor

Mecanismos (ou processos) de transferência de calor

Convecção

É o principal mecanismo de transferência de energia térmica nos fluidos.

É produzida pelo movimento das moléculas do fluido, através das chamadas correntes de convecção.

Fluido aquecido torna-se menos

denso

Fluido libera calor, tornando-se mais

denso

TERMO 6

Transferência de calor

Mecanismos (ou processos) de transferência de calor

Convecção

É o principal mecanismo de transferência de energia térmica nos fluidos.

É produzida pelo movimento das moléculas do fluido, através das chamadas correntes de convecção.

Formulação de Newton para a convecção (empírica):

Coeficiente de convecção:

Depende das propriedades do fluido.

Depende das paredes em contato com o fluido.

TERMO 7

Transferência de calor

Mecanismos (ou processos) de transferência de calor

Radiação

Não necessita de meio material para a transferência da energia térmica.

É produzida pela transferência de energia na forma de radiação eletromagnética.

TERMO 8

Condução

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830)

1822: Lei de Fourier para a condução de calor

Calor flui da região de temperatura mais alta para a região de temperatura mais baixa, sendo proporcional à diferença de temperatura entre as duas regiões.

A quantidade de calor que flui é inversamente proporcional à espessura do condutor.

A quantidade de calor que flui é proporcional à área A de seção transversal do condutor.

A quantidade de calor que flui é proporcional ao intervalo de tempo considerado na condução.

TERMO 9

Condução

1822: Lei de Fourier para a condução de calor

Constante de condutividade térmica do material condutor

Unidades de

kcal/s.m.oC Btu.in/h.ft2.oF

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830)

1 Btu = 778 ft.lb = 252 cal = 1054.35 J

1 lb = 4.4482 N

Gradiente de temperatura

TERMO 10

Características da constante de condutividade térmica

A presença de impurezas reduz a condutividade.

A liquefação reduz o valor da condutividade.

A condutividade em fluidos aumenta com a temperatura.

A condutividade em metais (cobre, prata, ouro) é aproximadamente constante entre 100 e 1000 K.

Condução

TERMO 11

Características da constante de condutividade térmica

A condutividade em metais (cobre, prata, ouro) é aproximadamente constante entre 100 e 1000 K.

Condução

A condutividade em metais aumenta com a redução da temperatura, até um valor máximo, voltando a ser reduzida com o decréscimo da temperatura.

TERMO 12

Lei de Wiedemann-Franz para metais

A condutividade térmica de um metal é proporcional à sua condutividade elétrica , ou seja, um bom condutor de calor também é bom condutor de eletricidade (1853).

Lei de Lorentz (1872)

Condução

TERMO 13

Condução

Regime estacionário ou permanente (steady state)

A temperatura ao longo do comprimento do condutor depende apenas da posição, ou seja, não é mais função do tempo.

A corrente térmica não depende mais da posição ao longo do comprimento do condutor.

Comprimento do condutor

TERMO 14

Condução

Regime estacionário ou permanente (steady state)

Resistência térmica ou valor R

Definido em termos da resistência à condução do calor, como no projeto de refrigeração ou aquecimento de uma casa, oferecido pelo condutor.

Depende apenas da espessura L do condutor.

TERMO 15

Condução

Regime estacionário ou permanente (steady state)

A corrente térmica é a mesma ao longo dos dois condutores.

Temperatura da interface

TERMO 16

Condução

Regime estacionário ou permanente (steady state)

A corrente térmica é a mesma ao longo dos dois condutores.

Eliminando a temperatura da interface:

Como

TERMO 17

Condução

Regime estacionário ou permanente (steady state)

A diferença de temperatura é a mesma para os dois condutores.

O que difere um condutor do outro é sua resistência térmica.

A corrente térmica total é a soma das correntes em cada condutor.

Como

TERMO 18

Condução

Regime estacionário ou permanente (steady state)

A diferença de temperatura é a mesma para os dois condutores.

O que difere um condutor do outro é sua resistência térmica.

A corrente térmica total é a soma das correntes em cada condutor.

ou