O Calor e sua Propagaçao - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)
Brigadeiro
Brigadeiro6 de Março de 2013

O Calor e sua Propagaçao - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)

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Apostilas de Física sobre o estudo do calor e sua propagação, definição, formas de propagação de calor, condução.
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QUE É PROPAGAÇAO DE CALOR?É A transferência, transmissão ou propagação de calor, algumas vezes citada como propagação ou transferência térmica, é a transição de energia térmica de uma massa (corpo) mais quente para uma massa mais fria. Noutras palavras, é a troca de energia calorífica entre dois sistemas de temperaturas diferentes.

Quando um corpo, por exemplo, um objeto sólido ou um fluido, está a uma temperatura diferente da de seu entorno ou outro corpo, a transferência de energia térmica, também conhecida como fluxo de calor ou troca térmica, ocorre de tal maneira que o corpo e seu entorno alcancem equilíbrio térmico; o que significa que se encontram a mesma temperatura, a lei zero da termodinâmica. Quando ocorre transferência de energia térmica de um corpo para outro, a propagação se faz do corpo de maior temperatura para o de menor (do mais quente para o mais frio), como descrito pela segunda lei da termodinâmica ou o chamado enunciado Clausius. Quando existe uma diferença de temperatura entre dois objetos em proximidade um do outro, a transferência de calor não pode ser detida; só pode ser feita mais lentamente (noutras palavras, não existe material isolante perfeito).

Quando uma quantidade de calor conduzida por unidade de tempo depende da diferença de temperatura no condutor e a quantidade de calor depende também das propriedades do material, temos a condutividade térmica

Quantas formas de propagação de calor existe?

A energia, chamada neste caso de energia térmica, pode passar de um corpo para o outro fundamentalmente de três maneiras diferentes: condução, convecção e radiação. Vamos vê-las separadamente, mas na maioria das vezes elas acontecem sempre combinadas.

Condução: é o processo de transmissão de calor feita de partícula para partícula sem que haja transporte de matéria de uma região para outra. O processo de transmissão de calor ocorre principalmente nos sólidos e em especial nos metais, pois estes são bons condutores de calor. Em geral, um bom condutor de eletricidade também é um bom condutor de calor. Fluxo de calor: o fluxo de calor mede a potência térmica do meio no qual o calor se propaga. Se os dois extremos de um corpo forem mantidos às temperaturas diferentes haverá fluxo de calor no interior do corpo que pode ser calculado através da equação de Fourier:

a) a condutividade térmica (K) é uma constante de cada substância e, quanto maior seu valor,melhor condutora de calor ela será.

b) Durante o regime estacionário de calor, cada ponto da barra, ao longo de seu comprimento L, apresenta uma temperatura diferente, que diminui gradativamente da maior para menor temperatura. Convecção é a transferência de energia térmica pelo movimento de moléculas de uma parte do material para outra. À medida que aumenta o movimento dos fluidos, ocorre a transferência de calor convectiva. Condução de estado estacionário vs. condução transiente

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Condução de estado estacionário é a forma de condução que ocorre quando a diferença de temperatura conduzindo a condução térmica é tão constante que, após um tempo de equilíbrio, a distribuição espacial das temperaturas (campo de temperatura) no objeto de realização não muda mais. Por exemplo, uma barra pode ser fria em uma extremidade e quente, no outra, mas o gradiente de temperatura ao longo da barra não altera-se com o tempo. A temperatura em qualquer ponto dado da haste permanece constante, e essa temperatura varia linearmente ao longo da direção de transferência de calor. Na condução em estado estacionário, a quantidade de calor que entra uma seção é igual à quantidade de calor que sai. Na condução em estado estacionário, todas as leis de condução de corrente elétrica direta podem ser aplicadas às "correntes de calor". Nesses casos, é possível tomar "resistências térmicas", como o análogo para resistências elétricas. A temperatura desempenha o papel de tensão e o calor transferido é o análogo da corrente elétrica.

Condução transiente: existem também situações de estado não estacionário, em que a queda ou aumento de temperatura ocorre de forma mais drástica, como quando uma bola de cobre quente cai no óleo em uma temperatura baixa. Aqui o campo de temperatura dentro do objeto muda como uma função do tempo, e o interesse reside em analisar esta mudança espacial da temperatura dentro do objeto ao longo do tempo. Este modo de condução de calor pode ser referido como condução transiente. A análise destes sistemas é mais complexa e (exceto as formas simples) pede a aplicação das teorias de aproximação e/ou análise numérica por computador. Um método gráfico popular envolve o uso de gráficos de Heisler.

Análise de sistemas agrupados

Uma aproximação comum na condução transitória, que pode ser utilizada quando a condução de calor dentro de um objeto é muito mais rápida do que a condução de calor em todo o contorno do objeto, é análise do sistema agrupado. Este é um método de aproximação que reduz adequadamente um aspecto do sistema de condução transiente (que dentro do objeto) para um sistema equivalente do estado estacionário (isto é, presume-se que a temperatura dentro do objeto é completamente uniforme, embora o seu valor pode estar se alterando no tempo).

Neste método, um termo conhecido como o número de Biot é calculado, o qual é definido como a razão da resistência à transferência de calor em toda o contorno do objeto com um banho uniforme de diferentes temperaturas, para a resistência térmica condutiva dentro do objeto. Quando a resistência térmica de calor transferido para o objeto é menor que a resistência ao calor sendo difundida completamente dentro do objeto, o número de Biot é inferior a 1. Neste caso, em particular para os números de Biot, que são ainda menores, a aproximação das espacialmente uniformes temperaturas dentro do objeto pode começar a ser utilizado, uma vez que se pode presumir que o calor transferido para o objeto tem tempo para uniformemente distribuir-se, devido à menor resistência em fazê-lo, em comparação com a resistência ao calor que entra no objeto.

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O número de Biot geralmente deve ser inferior a 0,1 para aproximação útil e precisa e a análise da transferência de calor. A solução matemática para a aproximação do sistema agrupado dá a lei de Newton do arrefecimento, discutida abaixo.

Este modo de análise tem sido aplicada às ciências forenses para analisar o momento da morte de seres humanos. Também pode ser aplicado a HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado, ou climatização de construções), para garantir mais efeitos quase instantâneos de uma mudança na configuração do nível de conforto.

Convecção:Convecção é a transferência de energia térmica pelo movimento de moléculas de uma parte do material para outra. À medida que aumenta o movimento dos fluidos, ocorre a transferência de calor convectiva. A presença de maior movimento do fluido aumenta a transferência de calor entre a superfície do sólido e o fluido

Existem dois tipos de transferência de calor convectiva:

Convecção natural: quando o movimento do fluido é causado por forças de empuxo que resultam das variações de densidade devido a variações de temperatura no fluido. Por exemplo, na ausência de uma fonte externa, quando a massa do líquido está em contato com uma superfície quente, suas moléculas separadas e em dispersão, fazendo com que a massa de fluido venha a se tornar menos densa. Quando isso acontece, o fluido é deslocado verticalmente ou horizontalmente, enquanto o fluido mais frio líquido fica mais denso e afunda no fluido. Assim, o volume de transferências de calor do volume mais quente para o mais frio do fluido

Convecção forçada: quando o fluido é forçado a fluir sobre a superfície por fonte externa, como ventiladores e bombas, criando uma corrente de convecção induzida artificialmente.

Fluxo interno e externo também podem classifica a convecção. Fluxo interno ocorre quando o fluido é delimitada por uma fronteira sólida, tais como o fluxo através de um tubo. Um fluxo externo ocorre quando o fluido se estende indefinidamente, sem encontrar uma superfície sólida. Ambas as convecções, natural ou forçada, pode ser interna ou externa, porque são independentes uns dos outros.A taxa de transferência de calor convectiva é dada por:

A é a área de transferência de calor. Ts é a temperatura de superfície e Tb é a temperatura do fluido na temperatura global. No entanto, Tb varia de acordo com cada situação e é a temperatura do fluido "muito" longe da superfície. h é o coeficiente de transferência de calor constante que depende de propriedades físicas do fluido, tais como temperatura e da situação física em que ocorre convecção. Portanto, o coeficiente de transferência de calor deve ser derivado ou encontrado experimentalmente para cada sistema analisado. Fórmulas e correlações estão disponíveis em muitas referências ao cálculo dos coeficientes de transferência de calor para configurações e fluidos típicas. Para fluxo laminar, o coeficiente de transferência de calor é bastante baixo quando comparado com os fluxos turbulentos, isto devido aos fluxos

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turbulentos com uma fina camada de película na superfície do fluido estagnado transferência de calor.

Radiação ou Irradiação: Radiação ou irradiação é a transferência de energia térmica através do espaço vazio. Todos os objetos com uma temperatura acima do zero absoluto irradiam energia a uma taxa igual à sua emissividade multiplicado pela taxa na qual a energia que irradia a partir deles se fossem um corpo negro. Nenhum meio é necessário para a irradiação ocorrer, pois é transferida através de ondas eletromagnéticas; radiação funciona mesmo através de uma vácuo perfeita. Como exemplo simples disso, a energia do Sol percorre no vácuo do espaço antes que o aquecimento da Terra.Tanto a refletividade e emissividade de todos os corpos são dependentes do comprimento de onda. A temperatura determina a distribuição de comprimento de onda da radiação eletromagnética como limitada em intensidade pela lei de Planck da radiação de corpo negro. Para qualquer corpo a refletividade depende da distribuição de comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente e, portanto, a temperatura da fonte de radiação. A emissividade depende da distribuição de comprimento de onda e, portanto, a temperatura do próprio corpo. Por exemplo, a neve fresca, que é altamente reflexiva à luz visível (refletividade de cerca de 0,90), aparece branca devido à reflexão da luz solar com um comprimento de onda de energia de pico de cerca de 0,5 micrômetros. Sua emissividade, no entanto, a uma temperatura de cerca de -5 ° C, com comprimento de onda do pico de energia de cerca de 12 micrômetros, é de 0,99.Gases absorvem e emitem energia em comprimento de onda em padrões característicos que são diferentes para cada gás.A luz visível é uma outra forma de radiação eletromagnética com comprimento de onda menor (e, portanto, uma maior frequência) que a radiação infravermelha. A diferença entre a luz visível e a radiação de objetos a temperaturas convencionais é um fator de cerca de 20 na freqüência e comprimento de onda, os dois tipos de emissão são simplesmente diferentes "cores" de radiação eletromagnética.

Barreiras radiantes são materiais os quais refletem radiação e consequentemente reduzem o fluxo de calor das fontes radioativas.Bons isolantes não são necessariamente boas barreiras radiantes, e vice versa. Metal, por exemplo, é um excelente refletor e um isolante pobre exatamente por ser um excelente condutor de calor.

A eficácia de um isolador é indicado pelo seu valor R (resistência). O valor R de um material é o inverso do coeficiente de condução (k) multiplicado pela espessura (d) do isolante. As unidades do valor de resistência são em unidades SI: (K•m²/W)

Introduçao: Propagação de calor

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Falar a respeito do tema calor ainda pode trazer confusão para algumas pessoas. Em termologia, calor está ligado à transferência de energia térmica de um corpo de maior temperatura para um corpo de menor temperatura, ou seja, calor é a energia em trânsito. Para melhor assimilação, vamos ao seguinte exemplo:

Vamos imaginar que, em um sistema isolado (dentro de uma caixa de isopor, por exemplo), foram colocados dois objetos. O objeto A, à temperatura de 200°C; e o objeto B, à temperatura de 20ºC. De acordo com a lei zero da termodinâmica, com o passar do tempo, a temperatura do objeto A diminui enquanto que a temperatura do objeto B aumenta, até que ambos atinjam a mesma temperatura, ficando em equilíbrio térmico. A energia que se transferiu do objeto A para o objeto B é chamada de calor ou energia térmica.

Transmissão de Calor

Para que ocorra troca de calor, é necessário que ele seja transferido de uma região a outra através do próprio corpo, ou de um corpo para outro. Existem três processos de transferência de calor estudados na termologia, são eles: condução, convecção e irradiação. A irradiação é a propagação de ondas eletromagnéticas que não precisam de meio para se propagar, enquanto que a condução e a convecção são processos de transferência que necessitam de um meio material para se propagar.

Condução

Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, as moléculas do corpo mais quente, colidindo com as moléculas do corpo mais frio, transferem energia para este. Esse processo de condução de calor é denominado condução. No caso dos metais, além da transmissão de energia de átomo para átomo, há a transmissão de energia pelos elétrons livres, ou seja, são os elétrons que estão mais afastados do núcleo e que são mais fracamente ligados aos núcleos, portanto, esses elétrons, colidindo entre si e com átomos, transferem energia com bastante facilidade. Por esse motivo, o metal conduz calor de modo.

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