FENÔMENOS DE TRANSPORTE – TEXTO III: TRANSFERÊNCIA DE CALOR

A transferência de calor é a energia em trânsito, devido a uma diferença de temperatura. E sempre que existir esta diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor.

Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios diferentes, haverá, necessariamente, transferência de calor. A transferência de calor é o trânsito de energia provocado por uma diferença de temperatura, no sentido da temperatura mais alta para a mais baixa.

O ramo da ciência que trata da relação entre calor e outras formas de energia é a termodinâmica. Seus princípios são baseados em observações e foram generalizados em leis julgadas verdadeiras para todos os processos que ocorrem na natureza:

A 1º Lei da Termodinâmica: A energia não pode ser criada ou destruída, mas apenas transformada de uma forma para outra.

A 2º Lei da Termodinâmica: É impossível existir um processo cujo único resultado seja a transferência de calor de uma região de baixa temperatura para outra de temperatura mais alta.  

Todos os processos de transferência de calor envolvem a transferência e a conversão de energia. Dessa forma, eles devem obedecer a primeira e a segunda leis da termodinâmica. Porém, existe uma diferença fundamental entre a transferência de calor e a termodinâmica. Embora a termodinâmica trate das interações do calor e o papel que ele desempenha na primeira e na segunda leis, ela não leva em conta nem o mecanismo de transferência nem os métodos de cálculo da taxa de transferência de calor.

Ela trata sim com estados de equilíbrio da matéria onde inexiste gradientes de temperatura. Embora possa ser usada para determinar a quantidade de energia requerida na forma de calor para um sistema passar de um estado de equilíbrio para outro, ela não pode quantificar a taxa (velocidade) na qual a transferência do calor ocorre. E é isso que a transferência de calor procura fazer aquilo o que a termodinâmica é inerentemente incapaz de fazer.

Por meio de mecanismos fundamentais de transferência de calor, a literatura reconhece três modos distintos: condução, convecção e a radiação. 

Modos de Transferência de Calor.
Fonte: F.P. Incropera e D. P. DeWitt, Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa (LTC, Rio de Janeiro, 2014).

Condução: Transferência de calor através da vibração molecular, a energia térmica é transportada molécula a molécula sem movimento relativo destas molécula, ou o mesmo, as moléculas permanecem fixadas em suas posições (sem mobilidade), neste caso é necessário o suporte material. Exp.: meio pode ser um sólido ou um fluído estacionário.

Temperaturas mais altas estão associadas a energias moleculares mais altas. Quando moléculas vizinhas colidem entre si, há transferência de energia das moléculas de maior energia para as moléculas de menor energia. Na presença de um gradiente de temperatura, a transferência de energia por condução ocorre, portanto, no sentido da diminuição de temperatura. Em sólidos, as moléculas apresentam menor espaçamento. As interações moleculares são, portanto, mais fortes e mais frequentes que nos fluidos. A transferência de calor por condução é, portanto, maior em materiais sólidos do que em materiais fluidos, em condições semelhantes.

Convecção: A transferência de calor se processa com movimentação molecular de um fluído sobre a superfície de um sólido. Exp. Fluídos em contato com uma parede.

A convecção abrange dois mecanismos distintos. Além da transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (condução), a energia também é transferida através do movimento global ou macroscópico do fluido (advecção). Este movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluido. Ela é dita convecção forçada quando o escoamento é causado por meios eternos (como um ventilador ou uma bomba) ou quando o escoamento é de ventos atmosféricos. Na convecção natural ou livre, o escoamento dos fluidos é induz ido por forças de empuxo, originadas a partir de variações de densidade causadas por diferenças de temperatura no fluido. Na prática, podem ocorrer situações nas quais ambas as formas de convecção ocorrem simultaneamente. Diz-se, neste caso, que há convecção mista.

Radiação: É a forma de energia térmica que se propaga mesmo no vácuo, através de ondas eletromagnéticas ou fótons. Neste caso não é necessário o suporte material.

A radiação térmica é a energia eletromagnética propagada na velocidade da luz, emitida pelos corpos em virtude de sua temperatura. Os átomos, moléculas ou elétrons são excitados e retornam espontaneamente para os estados de menor energia. Neste processo, emitem energia na forma de radiação eletromagnética. Uma vez que a emissão resulta de variações nos estados eletrônico, rotacional e vibracional dos átomos e moléculas, a radiação emitida é usualmente distribuída sobre uma faixa de comprimentos de onda.  

O calor transferido por condução pode ser medido pela Lei de Fourier, já o calor transmitido via convecção, na unidade de tempo, entre uma superfície e um fluido, pode ser calculado através da relação proposta por Isaac Newton:

Fonte: M. M. M. Novo. et al. Fundamentos básicos de emissividade e sua correlação com os materiais refratários, conservação de energia e sustentabilidade. GEMM, Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de S. Carlos – SP

Outro possível mecanismo ainda é o combinado, que nada mais é do que numa situação prática ocorrerem ao mesmo tempo dois ou mais mecanismos de transferência de calor ao mesmo tempo. Como exemplo de um sistema onde ocorrem ao mesmo tempo vários mecanismos de transferência de calor consideremos uma garrafa térmica. Neste caso, podemos ter a atuação conjunta dos seguintes mecanismos esquematizados na figura:

Muita coisa ainda há para se falar sobre transferência de calor, mas que tal agora saber um pouco mais sobre Fenômenos de transporte III e as transferências de massa? Continua com a gente e se liga no próximo texto da série.

Referência

Fenômenos de Transporte em Engenharia de Materiais (Transferência de Calor e Massa);

fenômenos dos transportes;