UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO – UEMA PROGRAMA DARCY RIBEIRO POLO DE AMARANTE DO MARANHÃO CURSO: LICENCIATURA EM CIÊNCIAS COM HABILITAÇÃO EM FÍSICA
SEMINÁRIO
TRANSMISSÃO DE CALOR
Amarante do Maranhão, JULHO DE 2013
BIANCA CRISTINA CLODOALDO FERNANDES DIONLENO NOBRE ELIZÂNGELA DIAS CHAVES EVA SOARES JOEMÍLIA PÓVOAS RAYLENE NUNES WAN-EIK DE SOUSA SARAIVA WELITÂNHA BRASIL
SEMINÁRIO
TRANSMISSÃO DE CALOR
Trabalho apresentado à disciplina de Termodinâmica e Transferência de Calor como requisito parcial para obtenção de nota, orientado pelo professor Patrício.
Amarante do Maranhão, JULHO DE 2013
DEFINIÇÃO DE TEMPERATURA Temperatura é o grau de calor ou frio, representado em uma escala definida. Todas as substâncias acham-se constituídas por uma enorme quantidade de pequenas partículas, as moléculas, que se encontra em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se apresenta o corpo e, quanto mais lento o movimento, mais frio se apresenta o corpo. Esta condição pode ser descrita como um potencial térmico ou como uma energia efetiva da substância. O grau de temperatura é o número dado a este atributo. A definição de qualquer grandeza deve começar pela definição de grandezas iguais. Após as noções que acabamos de dar sobre temperatura, é conveniente, em primeiro lugar, precisar as condições em que dois corpos terão a mesma temperatura, ou ainda, estarão em equilíbrio térmico. A observação corrente mostra que, estando um corpo "Quente" e um "Frio" em presença um do outro (em íntimo contato), o primeiro se resfria e o segundo se aquece, ou ainda, que a diferença de temperatura entre os dois corpos diminui com o tempo, como se houvesse tendência para a equalização das temperaturas. Podemos afirmar que a "temperatura de um sistema é a propriedade que determina se um sistema está ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas". Assim, a temperatura de todos os sistemas em equilíbrio térmico pode ser representada por um número estabelecido em uma escala empírica de temperatura. Baseados neste princípio são construídos os sensores de temperatura, os quais, em equilíbrio térmico com o meio ou com o corpo que se quer medir, fornecem a indicação da temperatura.
EQUILÍBRIO TÉRMICO Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas, as moléculas e que se encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se apresenta o corpo e quanto mais lento mais frio se apresenta o corpo. Então se define temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas. Calor é energia em trânsito ou a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura. A noção de Temperatura tem sua origem na sensação de "Quente" ou "Frio", que experimentamos no contato com, os corpos. Por imperfeito que seja o sentido do tato nos permite constatar que as propriedades do corpo variam, quando ele se aquece ou se resfria. Vejam os exemplos a seguir:
a) Uma barra, um fio, alonga-se quando o aquecemos; é o fenômeno da Dilatação Linear. b) Um sólido aumenta o volume ao ser aquecido; é o fenômeno da Dilatação Cúbica. c) Se aquecermos um balão de vidro cheio d'água, o nível baixa a princípio, devido à dilatação do invólucro, mas sobe depois, ultrapassando o nível primitivo, o que mostra que a Dilatação dos Líquidos é, geralmente maior do que a dos sólidos.
d) Quando se mantém constante a pressão, um gás aumenta de volume com o aquecimento. e) A resistência elétrica de um fio metálico aumenta quando o aquecemos. Seja um fio condutor levado ao vermelho sombrio pela corrente elétrica que o percorre e resfriado por imersão em água de uma parte do fio. A parte não mergulhada se torna vermelho vivo, o que indica passagem de corrente mais intensa e, portanto, diminuição da resistência na parte mergulhada. Em resumo, sem tocá-lo, podemos saber se um corpo se aquece ou se resfria mediante o exame da variação de uma de suas propriedades.
MODOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR Condução A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato físico direto. No fluxo de calor por condução a energia é transmitida por meio de comunicação molecular direta, sem apreciável deslocamento das moléculas. De acordo com a teoria cinética, a temperatura de um elemento de matéria é proporcional à energia cinética média de suas moléculas constituintes. A energia intrínseca de um elemento e posição relativa das moléculas são chamadas "energia interna". Assim, quanto mais rápido se movem as moléculas, maior será a temperatura e a energia interna do elemento de matéria. Quando as moléculas em uma região adquirem uma energia cinética média, maior do que aquela das moléculas das regiões adjacentes, conforme manifestado por uma diferença de temperatura, as moléculas possuidoras de maior energia transmitirá parte de sua energia para as moléculas da região de temperatura mais baixa. A transferência de energia poderia ter lugar por impacto elástico (como nos fluidos) ou por difusão de elétrons de movimento rápido das regiões de alta para baixa temperatura (como nos metais). Independente do mecanismo exato, que de forma alguma é totalmente entendido, o efeito observável da condução de calor consiste na igualdade de temperatura. Entretanto, se diferenças de temperaturas são mantidas pela adição ou remoção de calor em pontos diferentes, um fluxo contínuo de calor da região quente para a fria será estabelecido. A condução é uma forma de troca de calor que predomina nos sólidos. A condução também é importante nos fluidos, mas nos meios não sólidos, usualmente ela é combinada com a convecção e, em alguns casos, também com a radiação.
Radiação A radiação é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles. O termo radiação é, geralmente aplicado para todas as espécies de fenômenos de ondas eletromagnéticas, mas, na transmissão de calor, são de interesse apenas os fenômenos que resultam da diferença de temperatura e podem transportar energia através de um meio transparente ou através do espaço. A energia transmitida desta maneira é chamada de Calor Radiante.
Todos os corpos emitem continuamente calor radiante. A intensidade das emissões depende da temperatura e da natureza da superfície. A energia radiante tem a velocidade da luz (300.000 km/s) a se assemelha à radiação da luz. De fato, de acordo com a teoria eletromagnética, a luz e a radiação térmica diferem apenas nos respectivos comprimentos de onda. O calor radiante é emitido pelo corpo na forma de impulsos ou "quantum" de energia. O movimento de energia radiante no espaço é semelhante à propagação da luz e pode ser descrito pela teoria das ondas. Quando as ondas de radiação encontram algum objeto, suas energias são absorvidas próximas a superfície. A transmissão de calor por radiação torna-se de importância crescente quando a temperatura de um corpo aumenta. Nos problemas de engenharia, envolvendo temperaturas que se aproximam da atmosférica, o aquecimento radiante frequentemente pode ser desprezado.
Convecção A convecção é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás. A transferência de energia por convecção de uma superfície cuja temperatura está acima daquela do fluído envolvente, tem lugar em várias etapas. Primeiro, o calor fluirá por condução da superfície para as partículas adjacentes do fluido. A energia assim transferida servirá para aumentar a temperatura e a energia interna destas partículas. Então as partículas fluidas se movem para uma região de menor temperatura no fluido, onde elas se misturarão e transferirão uma parte de sua energia, para outras partículas fluidas. O fluxo neste caso é de fluido, assim corno a energia realmente é armazenada nas partículas fluidas e é levada como resultado do movimento de sua massa. Este "mecanismo" não depende, para sua operação, meramente da diferença de temperatura e, desta forma, não preenche estritamente a definição de transmissão de calor. O efeito resultante, entretanto, consiste no transporte de energia e como ele ocorre na direção de uma gradiente de temperatura, também é classificado como um modo de transmissão de calor, sendo chamado de fluxo de calor por convecção. A transmissão de calor por convecção é classificada de acordo com o modo de movimento do fluxo, em "convecção natural" a "convecção forçada". Quando o movimento do fluido se dá em função exclusiva do resultado das diferenças de densidade causadas pelos gradientes de temperatura, temos caracterizado a "convecção natural" (ou livre). Quando o movimento do fluido se dá, não somente em função do resultado de diferenças de densidade, mas sim do uso de algum mecanismo qualquer que sirva para ativar a circulação do fluido (por ex. uma eletro-bomba ou um ventilador), teremos um processo de "convecção forçada".
BIBLIOGRAFIA
Fox, Robert w. e ArlanT. Mc Donald, Introdução á mecânica dos fluídos, 1998, LTC, Rio de Janeiro, Brasil.
