Taxa de fluxo de calor

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
Ir para: navegação, pesquisa

Taxa de fluxo de calor é o quociente da quantidade de calor que atravessa uma superfície durante um intervalo de tempo (fluxo de calor) pela duração desse intervalo. A densidade de taxa de fluxo de calor é o quociente do fluxo de calor que atravessa uma superfície pela área dessa superfície. O calor é energia em fluxo, existindo três mecanismos para ocorrer essa transferência de calor: a condução, a convecção e a radiação.[1]Na condução, a taxa de fluxo de calor é explicada por vibrações de átomos e elétrons que se propagam ao longo de uma rede. O calor flui da maior temperatura para a menor temperatura, denotadas e , onde os índices q e f significam: "fonte quente" e "fonte fria", respectivamente. [2]Na convecção, uma parte de um fluido é aquecida por uma fonte quente e se dilata, consequentemente diminui sua densidade, fazendo com que essa parte aquecida vá para cima por causa da força do empuxo e subsequentemente a parte mais fria preenche a posição onde estava a parte mais quente; o processo pode se repetir inúmeras vezes; esse processo dá origem às correntes de convecção. [2]Na radiação, o calor se dá através de radiação térmica, que são ondas eletromagnéticas, com o sistema em observação; a radiação não necessita de matéria para se propagar, pode se propagar no vácuo.

Condução Através de Placa Simples[editar | editar código-fonte]

A taxa de fluxo ou taxa de transferência tem uma relação direta com a diferença de temperatura ; e tem uma relação inversamente proporcional com a espessura de isolante entre os pontos de ; e tem também uma relação proporcional com a área em que flui o calor. A taxa de fluxo de calor por condução entre dois sistemas é medida em Watt (joules por segundo).

A taxa de fluxo de calor por condução é definida por:

Condução de calor por placa isolante simples.
[2]
  • Q/∆t é a taxa de fluxo de calor;
  • K é a condutividade térmica (depende do material);
  • A é a área de superfície;
  • T é a variação na temperatura;
  • L é a espessura de material isolante.
[2]Tabela com condutividades térmicas de alguns materiais
Material K (W/m.k)
Espuma de Poliuretano 0,024
Ar (seco) 0,026
Lã de Pedra 0,043
Fibra de Vidro 0,048
Hélio 0,15
Aço Inoxidável 14
Chumbo 35
Ferro 67
Latão 109
Alumínio 235
Cobre 401
Prata 428

O conceito de Resistência Térmica foi introduzido na atuação da engenharia. O valor de Resistência Térmica é definido:

A unidade de Resistência Térmica no SI é m².K/W.

Observação: ∆T/L é chamado gradiente de temperatura.

Condução Através de uma Placa Composta[editar | editar código-fonte]

[2]Para uma placa composta de dois materiais de espessuras diferentes e condutividades térmicas diferentes, assumimos que a transferência de calor acontece em um regime estacionário, ou seja, a temperatura da barra é independente do tempo e depende apenas de L; isto, na prática, significa que as taxas de condução através dos materiais são iguais. Chamamos Tx a temperatura entre os dois materiais fazemos a seguinte analogia:

Condução de calor por placa composta de dois materiais.

[2]

Isolando Tx, obtemos:

Substituindo Tx na expressão:

Para o caso de uma placa composta por mais de dois materiais, a fórmula é generalizada:

Exemplo: Condução Através de Placa Composta com três Camadas de Mesmo Comprimento[editar | editar código-fonte]

Supondo três camadas de vidro (), ar () e vidro (), respectivamente, com o mesmo comprimento entre dois reservatórios térmicos de temperaturas e . As temperaturas e entre as camadas é dada partindo da taxa de fluxo de calor:

Condução por 3 camadas de mesmo comprimento.

Considerando e temos

Agora analisando a taxa de fluxo de calor para a camada de vidro, obtém-se a expressão para a diferença de temperatura das camadas de vidro em relação à diferença total de temperatura e as condutividades térmicas:

E agora analisando para a camada de ar:

Então podemos concluir que, para este caso específico de as três camadas terem o mesmo comprimento, as temperaturas e não dependem do comprimento das camadas, pois dependem apenas de e das condutividades dos materiais das camadas.

Emissão e Absorção de Energia por Radiação: Taxa de Fluxo[editar | editar código-fonte]

[2]A taxa de emissão de energia por radiação eletromagnética é dita diretamente proporcional à área da superfície emitindo a radiação; e também é dependente da temperatura da área. A taxa de fluxo é dada pela fórmula descrita experimentalmente por Josef Stefan em 1879 e teoricamente deduzida por Ludwig Boltzmann:

  • é a constante de Stefan-Boltzmann: .
  • é a emissividade daquela superfície específica; varia de 0 a 1 e a emissão máxima é de uma superfície ideal pois seria um Radiador de Corpo Negro.

[2]A taxa de absorção de energia por radiação térmica é definida levando em consideração uma temperatura ambiente uniforme:

  • Um Radiador de Corpo Negro é capaz de absorver toda energia que recebe, ou seja, não reflete nem espalha radiação pro ambiente; este corpo, se existir, seria completamente invisível para qualquer faixa de luz.

Um objeto real tanto irradia quanto absorve energia para o ambiente simultaneamente; então usa-se a taxa líquida:

Referências

  1. RESNICK, HALLIDAY. Fundamentos de Física Volume 2 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. [S.l.] p. 200. 
  2. a b c d e f g h RESNICK, HALLIDAY. Fundamentos de Física Vol. 2 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. [S.l.] 
  • N. Ozisik; Transferência de Calor: Um Texto Básico, Ed. Guanabara, 1990, 661 pgs.
  • F. Incropera & Dewitt; Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, Ed. LTC, 5ª edição, 2003, 698 pgs.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]