Fenômenos de transporte experimental - Apostilas - Engenharia quimica, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
Roberto_880
Roberto_8805 de Março de 2013

Fenômenos de transporte experimental - Apostilas - Engenharia quimica, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de engenharia quimica sobre o estudo experimental sobre o fenômeno da radiação térmica, processo de transferência de calor por radiação através do aquecimento de uma superfície metálica e aquecimento indireto d...
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Radiação

Fenômenos de transporte experimental II / Labenge / Curso de Engenharia Química

Resumo - O presente relatório apresenta um estudo experimental sobre o fenômeno da radiação térmica. Para a análise do fenômeno estudado foi realizado um experimento em que a radiação emitida por uma lâmpada incandescente foi direcionada, em uma primeira etapa, a um recipiente de alumínio e depois, na segunda etapa, a um recipiente negro, ambos com uma determinada quantidade de água. Com isso foi medida a temperatura atingida pelo fluido a cada 60s num intervalo total de tempo de 20min. Dessa forma foi possível determinar o coeficiente de absorvidade do alumínio, o valor obtido foi 0,48. Além disso, também foi possível confirmar através do experimento que corpos negros são melhores absorvedores de calor do que corpos não negros.

(Palavras-chave: radiação, calor, absorvidade, alumínio)

Introdução

Transferência de calor (ou calor) é a energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura entre dois ou mais corpos. Essa transferência se dá por três maneiras diferentes: condução, convecção e radiação [1].

A condução ocorre através de um meio sólido ou fluido e consiste na propagação de calor das partículas mais energéticas para as menos energéticas adjacentes como resultado da interação entre elas [1].

O fenômeno da convecção é aquele no qual a transferência de calor acontece entre uma superfície sólida e um fluido em movimento quando estes estão a diferentes temperaturas. Quando o escoamento do fluido é causado por meios externos (como ventilador, bomba ou ventos atmosféricos), diz-se que a convecção é forçada. Por outro lado, quando o movimento do fluido se dá por forças de flutuação induzidas por diferenças de densidade devido à variação de temperatura, a convecção é chamada natural ou livre [1].

Radiação térmica é a energia emitida na forma de ondas eletromagnéticas (ou fótons) por qualquer corpo que esteja a uma temperatura maior que 0K. Essa emissão de energia é resultado de mudança nas configurações eletrônicas dos átomos ou moléculas. Ao contrário dos

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outros dois mecanismos de transferência de calor, a radiação pode ocorrer no vácuo, não havendo necessidade de um meio material para a colisão de partículas, como na condução, ou para transferência de massa, como na convecção [1].

A transferência de calor por radiação é um processo extremamente importante, pois além de ser a maneira pela qual o calor do Sol chega à Terra, é relevante em muitos processos industriais de aquecimento, resfriamento e secagem, assim como em métodos de conversão de energia que envolvem a combustão de combustíveis fósseis.

A radiação é um fenômeno volumétrico, mas em sólidos é tratado como de superfície. Isso pode ser feito porque, num corpo sólido, a radiação emitida pelas moléculas de seu interior é absorvida pelas moléculas mais próximas e não chega a atingir a superfície.

Dentro do espectro eletromagnético, a porção intermediária, entre 0,1 e 100 µm, é chamada de radiação térmica, pois afeta o estado térmico ou a temperatura da matéria.

Um corpo negro é aquele que emite e absorve, a qualquer temperatura, a máxima quantidade possível de radiação em qualquer comprimento de onda. Como emissor e absorvedor perfeito, serve como conceito teórico padrão em relação ao qual as características de radiação das superfícies reais são comparadas [1].

A emissividade (ε) é definida como a razão entre a radiação emitida por uma superfície e a radiação emitida por um corpo negro a mesma temperatura.

Absortividade, ou poder de absorção, é a fração da energia de radiação incidente em uma superfície que é absorvida por essa. (0 ≤ α ≤ 1)

A Lei de Kirchhoff, equações 1 e 2, afirma que

(1)

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ou seja, materiais que são fortes absorvedores num comprimento de onda particular são também fortes emissores neste comprimento de onda; analogamente absorvedores fracos são fracos emissores.

Evidentemente, a absortividade de um corpo negro é máxima, pois toda a energia incidente é absorvida. Portanto, sabendo que

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e que

(4)

conclui-se que a absortividade pode ser tomada como o quociente entre a energia absorvida pela superfície real e a energia absorvida pelo corpo negro:

(5)

O calor Q absorvido representa um ganho de energia interna, e quando não ocorre mudança de fase pode ser calculado através da equação 6:

(6)

a qual fornece um resultado em joules (J). Para obter o valor na unidade desejada (watts), divide-se esse valor por Δt, que é o intervalo de tempo da medida.

Na Tabela 1 estão listadas as absortividades do alumínio em função do acabamento superficial. O acabamento superficial é feito através do processo de anodização. Tal processo consiste na deposição de um filme de óxido sobre o alumínio por meio da imersão em um banho eletrolítico. Neste banho o metal a ser anodizado é ligado ao pólo positivo de uma fonte de eletricidade, transformando-se no ânodo da cuba eletrolítica e assim ocorrendo a deposição no metal.

Tabela 1 - absortividade do alumínio [2]

| |

| Absorvidade |

Anodização preto | 0,86 |

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Anodização azul | 0,67 |

Anodização bronze | 0,73 |

Anodização verde | 0,66 |

Anodização vermelho | 0,57 |

Anodização amarelo | 0,47 |

Anodização natural | 0,35 |

Sem anodizar | 0,26 |

| |

Objetivos

Verificar e fixar os conceitos referentes ao processo de transferência de calor por radiação através do aquecimento de uma superfície metálica e aquecimento indireto de uma massa conhecida de água em contato com a superfície aquecida.

Estimar o valor da absortividade (α) e verificar a sua influência sobre a transferência de calor radiante.

Material

Para a realização do experimento devem-se utilizar os seguintes equipamentos:

* recipiente cônico de plástico com 16,5 cm de base, 23 cm no topo e 19,5 cm de altura;

* lâmpada de 100 W ou 150 W;

* recipiente de alumínio de 7,3x10 cm e altura de 2,5 cm;

* recipiente de alumínio com fundo preto de 7,3x10 cm e 2,5 cm de altura;

* suporte de madeira para os recipientes de alumínio;

* tampa cartonada;

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* temopar;

* cronômetro.

Método

Para a obtenção dos dados experimentais deve-se conectar a lâmpada na superfície de raio menor do recipiente cônico. Em seguida, o suporte de madeira deve ser apoiado na outra superfície do recipiente de forma que a abertura daquele fique centralizada com a lâmpada. Com isso, o recipiente de alumínio, com 150 g de água em seu interior, deve ser encaixado na abertura do suporte. Vale destacar que o alinhamento centralizado do suporte com a lâmpada permite que a radiação emitida seja captada de forma uniforme pelo alumínio.

Após a montagem da aparelhagem o termopar deve ser fixado segundo uma disposição vertical com a extremidade do termopar fixa na metade interior do recipiente de alumínio. A seguir deve-se medir a temperatura ambiente e a temperatura da água no fundo do recipiente antes de ligar a lâmpada, considerando este instante como sendo o tempo = 0. Após esta etapa a lâmpada deve ser acionada concomitantemente com a contagem de tempo, anotando a temperatura a cada 60 s durante um período de 20 minutos.

Com a finalização desta etapa o mesmo procedimento de coleta de dados deve ser repetido com o recipiente de alumínio de fundo preto. Contudo, antes disso a lâmpada deve ser ventilada para que ocorra seu resfriamento até a temperatura inicial da etapa anterior. Ressalta-se que foi escolhida a água como fluído térmico do experimento porque, além de ser atóxica e não reagir com os equipamentos da prática, ela não muda de fase na temperatura estudada.

Com o acionamento da lâmpada a energia radiante provinda dela atinge o recipiente de alumínio, o qual passa a transferir calor por condução às moléculas de água que estão em contato com o alumínio. Em seguida o calor passa a fluir para o restante da porção de água através de correntes convectivas.

Para a realização do experimento a seguinte distribuição de tarefas foi efetuada entre os membros da equipe:

* Alana Emmer e Camila Delgado: responsável por anotar a temperatura a cada 60 s durante o período de 15 mim;

* Alfredo Assad e Ivan Roccon: responsáveis por pesar 150 g de água para o recipiente de alumínio e 150 g de água para o recipiente “negro”;

* Diego Rafael Santos e Andreia Carolina: responsáveis por montar os equipamentos e acionamento da lâmpada.

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Resultados

Os resultados obtidos durante o experimento encontram-se na Tabela 2, que mostra a variação da temperatura com o tempo para o recipiente de alumínio (Talum) e para o recipiente negro (Tb).

Tabela 2 - Variação da temperatura com o tempo

tempo/min | Talum/°C | Tb/°C |

0 | 21,35 | 21,30 |

1 | 22,01 | 22,55 |

2 | 22,61 | 24,65 |

3 | 23,13 | 26,84 |

4 | 24,08 | 29,34 |

5 | 25,16 | 31,36 |

6 | 25,93 | 33,72 |

7 | 27,20 | 36,14 |

8 | 27,99 | 38,29 |

9 | 29,10 | 40,40 |

10 | 30,40 | 43,06 |

11 | 31,08 | 44,74 |

12 | 32,12 | 47,01 |

13 | 33,28 | 48,79 |

14 | 34,22 | 51,04 |

15 | 35,02 | 52,49 |

16 | 35,97 | 54,45 |

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17 | 37,07 | 55,43 |

18 | 38,04 | 58,07 |

19 | 39,16 | 59,92 |

20 | 39,80 | 61,63 |

Os dados obtidos no experimento possibilitam a construção de um gráfico da temperatura x tempo, conforme mostra a Figura 1.

Figura 1 - Temperatura (°C) x tempo (min)

Para obter o calor Q de cada um dos corpos, calculou-se o Cp da água na temperatura média entre os intervalos de um minuto. Para o cálculo do Cp foi utilizada a equação [3] que leva os coeficientes mostrados na Tabela 3.

Tabela 3 - Coeficientes do Cp da água [3]

A | B | C | D |

6,7010 | 4,5950E-04 | 2,5210E-06 | -8,5900E-10 |

Calcula-se Q através da equação 6. Portanto tem-se, para o primeiro minuto:

Tmédia=22,01+273,15+21,35+273,152

Tmédia=294,83K

Cp=6,7010+4,5950.10-4.294,83+2,5210.10-6.294,832-8,5900.10-10.294,833

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Cp=7,03calmol.K=1631,79Jkg.K

* para o recipiente de alumínio:

Q=0,150kg.1631,79Jkg.K.295,16-294,50K

Qalum=161,55J

* para o recipiente negro:

Q=0,150kg.1631,79Jkg.K.295,7-294,45

Qb=305,96 J

Conhecida a quantidade de calor absorvida por cada um dos recipientes, pode-se calcular o coeficiente de absortividade através da equação 5. Desse modo, tem-se:

α=QalumQb

α=161,55J305,96J=0,53

Fazendo o cálculo de forma análoga a anterior para os outros intervalos de tempo, obtiveram-se os demais valores para a absorvidade, os quais estão listados na tabela 4.

Tabela 4 - Calor e absortividade

Qb/J | Qalum/J | α |

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| | |

305,96148 | 161,55 | 0,53 |

514,09461 | 146,88 | 0,29 |

536,20087 | 127,32 | 0,24 |

612,21192 | 232,64 | 0,38 |

494,79071 | 264,54 | 0,53 |

578,20404 | 188,65 | 0,33 |

593,05338 | 311,23 | 0,52 |

526,89017 | 193,60 | 0,37 |

517,33709 | 272,15 | 0,53 |

652,38299 | 318,83 | 0,49 |

412,13277 | 166,82 | 0,40 |

556,98912 | 255,18 | 0,46 |

436,87782 | 284,71 | 0,65 |

552,37809 | 230,77 | 0,42 |

356,0545 | 196,44 | 0,55 |

481,39302 | 233,33 | 0,48 |

240,75845 | 270,24 | 0,57 |

648,74262 | 238,36 | 0,37 |

454,731 | 275,30 | 0,61 |

420,41226 | 157,35 | 0,37 |

Com os resultados apresentados na Tabela 4, foi possível construir os gráficos da quantidade de calor absorvida por cada um dos corpos versus tempo, e da absortividade versus tempo, conforme mostrado a seguir.

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Figura 2 - Q (J) x tempo (min)

Figura 3 - Absortividade x tempo (min)

Discussão dos Resultados

A fim de comparar o resultado obtido no experimento com o valor teórico da absortividade, tomaram-se os sete últimos valores calculados para a absortividade e, a seguir, fez-se uma média. Esse procedimento mostrou que a absortividade média obtida foi de 0,48. Portanto, tirando da Tabela 1 que a absortividade do alumínio pela anodização natural é de 0,35, pode-se calcular o erro:

erro=0,48-0,350,35.100=37,1%

Percebe-se, portanto, que o resultado do experimento apresentou desvio bastante significativo do esperado. Isso pode ser confirmado pelo gráfico, pois esperavam-se que os últimos pontos oscilassem menos, o que não aconteceu. Esse desvio pode ser explicado em parte porque o recipiente não é totalmente isolado, o que faz com que a água perca calor para o ar. Além disso, parte da energia também pode ser transmitida para o recipiente de PVC por radiação e por convecção natural. Também podem ter ocorrido erros na leitura da temperatura, que nem sempre foi feita em intervalos exatos de um minuto.

Apesar disso, pode-se considerar que o objetivo do experimento foi alcançado, pois através da análise dos gráficos e pela leitura da tabela é bastante evidente que o corpo negro, conforme esperado, absorve muito mais calor e, portanto, tem sua temperatura aumentada muito mais rapidamente do que o recipiente de alumínio.

Conclusão

Com o desenvolvimento do experimento foi possível confirmar o fato de que corpos negros são melhores absorvedores que corpos não negros. Contudo, o valor obtido para o coeficiente de absorvidade do alumínio apresenta grande disparidade com o valor coletado na literatura.

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Devido a este fato considera-se que o experimento realizado não apresenta grande eficiência para a determinação, via radiação, do coeficiente de absorvidade de materiais como o alumínio.

Referências

1. INCROPERA, Frank P.; Fundamentos de transferência de calor e massa. Rio de Janeiro. Editora LTC, 2008.

2. NASA. Disponível em: http//: www.nasa.gov. [17 março. 2012].

3. POLING, Bruce E; PRAUSNITZ, J. M.; O'CONNELL, John P. The properties of gases and liquids. 5th. ed. New York: McGraw-Hill, c2001. ca.669p., il. Inclui bibliografia e índice. ISBN 0070116822 (enc.).

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