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24 Setembro 2014
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Modos de Transferência de Calor

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Condução
Convecção
Radiação Térmica

 

Todo o Universo é composto de matéria: o ar que respiramos, a água que bebemos ou a cadeira onde nos sentamos. Mesmo quando é invisível sentimos a sua presença, como a dificuldade em nos movimentarmos num dia de vento. A matéria é constituída por corpúsculos invisíveis (iões, átomos e seus agregados, as moléculas) em contínua agitação. Como resultado do balanço entre esta agitação individual e as forças de ligação que se estabelecem entre eles (designadas forças intermoleculares) ocorrem diferentes estados de coesão da matéria, os sólidos, os líquidos e os gases, onde as forças têm intensidades decrescentes - Fig. 8 da secção "Fontes e Formas de Energia". Por isso, nos sólidos, as moléculas vibram em torno de uma posição fixa, enquanto nos gases, pelo contrário, as moléculas têm uma elevada liberdade de movimentos. O aumento de temperatura faz aumentar a agitação molecular, isto é, a energia cinética das moléculas, e quando esta vence as forças atractivas entre elas, ocorre mudança de estado. Nos sólidos metálicos, os átomos perdem um ou mais electrões, sendo os iões positivos as unidades constituintes da sua estrutura e os electrões formam uma nuvem electrónica que se espalha por todo o corpo metálico (Fig. 10). Esta característica tem a particularidade de os tornar condutores eléctricos e térmicos.

Num corpo metálico há electrões livres (-) que permitem não só a sua deslocação sob a acção de um campo eléctrico (-+) como também acelerar a transferência de calor.
Figura 10: Num corpo metálico há electrões livres (-) que permitem não só a sua deslocação sob a acção de um campo eléctrico (-+) como também acelerar a transferência de calor.

Existindo regiões a diferentes temperaturas, ocorrerá transferência de energia térmica no sentido das zonas onde a temperatura é mais baixa. Essa transferência pode ocorrer por três mecanismos: condução, convecção ou radiação – Fig. 11. Este assunto está mais desenvolvido na secção de “Transferência de calor e de Massa” onde se apresentam as leis básicas subjacentes a estes modos de transferência de calor.

Modos de transferência de calor
Figura 11: Modos de transferência de calor: radiação nas mãos, condução na tenaz e convecção no ar, o qual aquece ao percorrer o interior do tubo do recuperador de calor.

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Condução 

A condução é o modo principal de transferir calor nos sólidos entre zonas a temperaturas diferentes. As partículas mais energéticas (situadas na zona de temperatura mais elevada) transmitem energia vibracional por contacto com as partículas menos energéticas que recebem essa energia (Fig. 12). Nos fluidos (especialmente nos gases, onde existem menores forças de coesão) ocorre ainda colisões entre as partículas. Nos sólidos metálicos os electrões livres favorecem a transferência de calor, como referido anteriormente. Em qualquer dos casos, a propagação do calor ocorre ao nível molecular, sendo o formalismo matemático descrito pela Lei de Fourier.


Figura 12: Nos sólidos não metálicos, a transferência de calor é efectuada ao nível molecular por propagação da energia vibracional das partículas mais energéticas para as menos energéticas (T1>T2).

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Convecção

Quando um fluido se encontra em movimento, as porções elementares de fluido que colidem entre si, transmitem a sua energia. Assim, a convecção é a transferência de calor na presença de um fluido em movimento (e não ao nível molecular, como a condução) – Fig. 13. A completa compreensão deste fenómeno requer o conhecimento da dinâmica do escoamento de fluidos, especialmente quando em contacto com superfícies. O movimento pode ser provocado por agentes externos como, por exemplo, pela actuação de um sistema de agitação, ou por diferenças de densidade resultantes do próprio aquecimento do fluido (Fig. 13). No primeiro caso, diz-se que a transferência de calor se processa por convecção forçada, enquanto no segundo, se efectua por convecção natural ou livre. Assim, mesmo que um fluido se encontre em repouso (do ponto de vista macroscópico), a diferença de temperaturas gera diferenças de densidade no seio do fluido que poderão ser suficientes para induzir um movimento ascendente do fluido mais quente (sob a acção da gravidade) e descendente se o fluido arrefecer, por contacto com uma superfície mais fria.

Este movimento do fluido (livre ou forçado) facilita a transferência de calor quando comparado com a contribuição da condução (que ocorre ao nível molecular). Em geral, a convecção é definida de uma forma mais abrangente, associando-se estes dois fenómenos (o da condução e o da transferência em presença de movimento macroscópico) e traduzindo-os em simultâneo numa única equação designada vulgarmente por lei de Newton para a transferência de calor. Quando a velocidade do fluido diminui e tende para zero, a contribuição do movimento macroscópico do fluido perde importância face ao processo da condução.

Nos fluidos, a transferência de calor é facilitada pelo movimento macroscópico do fluido o qual pode ser provocado por agentes externos (convecção forçada) ou por diferenças de densidade (convecção livre).
Figura 13: Nos fluidos, a transferência de calor é facilitada pelo movimento macroscópico do fluido o qual pode ser provocado por agentes externos (convecção forçada) ou por diferenças de densidade (convecção livre).

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Radiação Térmica 

Qualquer corpo ou superfície a uma temperatura superior ao zero absoluto emite radiação electromagnética por alteração na configuração electrónica de átomos e moléculas. A radiação térmica está restrita aos comprimentos de onda entre 0.1 e 100 μm do espectro electromagnético. A propagação de ondas electromagnéticas (ou fotões) ocorre através de corpos ou fluidos não opacos, ou no vácuo, não precisando, portanto, da existência de matéria. A lei básica é a lei de Stefan-Boltzmann. Como se pode concluir, o transporte de energia associado a este mecanismo é qualitativamente diferente dos mecanismos referidos acima (condução e convecção). Contudo, uma vez que todas as superfícies emitem radiação térmica, e esta será tanto maior quanto mais elevada for a temperatura, se um corpo emitir mais energia do que aquela que recebe proveniente das superfícies envolventes, a temperatura desse corpo diminuirá.

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Bibliografia 

As referências bibliográficas e a bibliografia recomendada encontram-se no final da secção de Caso de Estudo .

 

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