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CAP 6 - SISTEMAS TÉRMICOS – TRANSMISSSSÃO DE CALOR
INTRODUÇÃO
O calor é uma forma de energia trocada entre dois corpos mantidos a diferentes
temperaturas. Nesta formulação, calor é identificado como uma grandeza que só tem
significado na fronteira e é dado ou calculado pela 1
a
lei da Termodinâmica.
A Transmissão de Calor é a ciência que procura explicar a maneira com que esta troca
de energia é feita e também analisar a taxa de troca.
Além de utilizar as leis da Termodinâmica, a Transmissão de Calor utiliza as
observações experimentais. Por exemplo, sabe-se que havendo uma diferença de
temperaturas em um sistema haverá uma troca de calor entre a região de alta temperatura
e a região de baixa temperatura. Desde que o fluxo de calor ocorra na presença de um
gradiente de temperaturas, o conhecimento da sua distribuição passa a ser importante,
pois a partir dele, o chamado fluxo de calor pode ser determinado e, eventualmente, os
chamados pontos quentes (pontos de mais alta temperatura) de uma estrutura podem ser
determinados. Como se pode imaginar, esta grandeza é fundamental na especificação do
tamanho de trocadores de calor, como caldeiras, condensadores, aparelhos de ar
condicionado, cafeteiras automáticas, etc., implicando assim no custo destes
equipamentos.
Nos estudos de Transmissão de Calor é costume considerarmos três modos distintos de
troca de calor: condução, convecção e radiação. Destes três, podemos afirmar que
condução e radiação são os únicos mecanismos que podem ser tratados
independentemente, pois (ao menos, em tese) podem ocorrer isoladamente. Convecção,
por outro lado, envolve condução de calor com transporte de massa. Na verdade, a
distribuição real de temperaturas de um corpo é controlada pelos efeitos combinados e,
portanto, nunca se pode isolar totalmente um modo dos outros dois. Porém, para
simplificar a análise, importante no estudo inicial destes mecanismos, tal procedimento é
aconselhável. Processos mais sofisticados, como ebulição e condensação, envolvem
condução, transporte de massa e algum mecanismo de mudança de fase. No que se
segue, veremos rapidamente os mecanismos básicos para então, nos capítulos seguintes,
começarmos a discutí-los em maior profundidade.
CONDUÇÃO
A condução de calor é a troca de energia entre sistemas ou partes de um mesmo sistema
em diferentes temperaturas que ocorre pela interação molecular (impacto) onde moléculas
de alto nível energético transferem energia às outras, como acontece com gases e mais
intensamente com líquidos, pois neste caso, as moléculas estão bem mais próximas. Para
sólidos não metálicos, o mecanismo básico de condução está associado às vibrações das
estruturas eletrônicas e para os metais, os elétrons livres, que podem se mover na
estrutura cristalina, entram em cena, aumentando a intensidade da difusão (condução) de
energia. Assim, materiais que forem bons condutores elétricos serão bons condutores
térmicos, uma vez que os mecanismos de operação sejam os mesmos. Para os cristais
puros, tal fato é expresso pela equação de Lorentz.
A lei básica da condução de calor é baseada nas observações experimentais de Biot, mas
geralmente é mencionada como sendo de Fourier, que foi o primeiro a usá-la
explicitamente. Esta lei afirma que o calor trocado por condução em certa direção é
proporcional à área normal à direção e ao gradiente de temperaturas na tal direção. Assim:
Q ~ A [d T / d x]
Ou, introduzindo uma constante positiva, chamada condutividade térmica, podemos
escrever:
