Aula 1 - Fundamentos de Ci

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Aula 1 - Fundamentos de Ciências Térmicas

• CEFET_BA
• PROFº DIÓGENES GANGHIS

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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.ht
  m)

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Principais Estados da Matéria

• Gás
• Forma indefinida
• Arranjo totalmente desordenado
• Volume indefinido
• Partículas livres para se moverem.

• 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.

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

• caloria cal
• Joule J
• British thermal unit Btu

O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb de
água de 63F para 64F. Joule - unidade adotada
pelo SI para energia.
A caloria é definida como a quantidade de calor
necessária para se elevar de 14,5C para 15,5C
uma quantidade de 1g de água.
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Convenção para a Troca de calor
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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.
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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 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.
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Calor específico e capacidade calorífica
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.
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Valores de c (25ºC e 1 atm)
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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 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.
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Mudança de fase
O calor latente de mudança de estado pode
ser endotérmico (Q gt 0) As transformações de
fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas
pois a matéria precisa absorver
calor. exotérmico (Q lt 0) As transformações de
liquefação, solidificação e sublimação inversa
são exotérmicas, pois a matéria precisa liberar
calor.
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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).

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Qual a velocidade de uma Troca de Calor?

• Velocidade ? Fluxo de calor

No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.
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Temperatura (uma definição)
Grandeza física que indica a direção e permite o
cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado
entre dois corpos.
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Processos de Transferência de Calor

• Condução
• Convecção
• Radiação térmica

Convecção
Radiação térmica
Condução
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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
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Condução de Calor
23
Condução

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

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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)
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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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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.
29
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.
30
Fluxo de Calor na Convecção

• Lei de Newton do Resfriamento

- h é o coeficiente de transferência convectiva
de calor ou coeficiente de película W/(m2 ºC)
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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
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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
36
Transmissão de calor por Radiação
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Reflexão
Modelos adotados na radiação térmica

• O refletor perfeito (espelho ideal), r 1.

Absorção

• Um corpo negro (absorvedor perfeito), a 1.
• Um corpo cinzento, a lt 1.

Transmissão

• Um corpo transparente, t ? 0 (zero).
• Um corpo opaco, t 0 (zero).  

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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
E Poder emissivo W/m2 ? emissividade (0
? 1) s 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

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
Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem
simultaneamente nas mais diversas situações.
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Resistência térmica
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Mecanismos Combinados detransferência de calor
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Mecanismos Combinados detransferência de calor