FENÔMENOS DOS TRANSPORTES

Refere-se ao estudo sistemático e unificado da transferência de momento, energia e matéria.

Introdução

O processo de transporte é caracterizado pela tendência ao equilíbrio, que é uma condição onde não ocorre nenhuma variação. Os fatos comuns a todos os processos de transporte são:

·      A força motriz – o movimento no sentido do equilíbrio é causado por uma diferença de potencial;

·      O transporte – alguma quantidade física é transferida;

·      O meio – a massa e a geometria do material onde as variações ocorrem afetam a velocidade e a direção do processo.

Como exemplos, podemos citar:

·      Os raios solares aquecem a superfície externa de uma parede e o processo de transferência de calor faz com que energia seja transferida através da parede, tendendo a um estado de equilíbrio onde a superfície interna será tão quente quanto à externa;

·      Quando um fluído está entre duas placas paralelas e uma delas se movimenta, o processo de transferência de quantidade de movimento faz com que as camadas de fluído adjacentes à placa se movimentem com velocidade próxima à da placa, tendendo a um estado de equilíbrio onde a velocidade do fluído varia na superfície da placa em movimento na superfície da placa estacionária;

·      Uma gota de corante é colocada em recipiente com água e o processo de transferência de massa faz com que o corante se difunda através da água, atingindo um estado de equilíbrio, facilmente detectado visualmente.

Transferência de Calor

O que é e come se processa?

Transferência de calor (ou calor) é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura.  Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor.

Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, ocorrera uma transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até que haja equivalência de temperatura entre eles. Dizemos que o sistema tende a atingir o equilíbrio térmico.

Está implícito na definição acima que um corpo nunca contém calor, mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é, portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura.

Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de calor. Existem três mecanismos, que podem ser reconhecidos assim:

·      Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, que pode ser um sólido ou um fluído, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de calor por condução;

·      Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção;

·      Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líquida de energia

(emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas, usamos o termo radiação.

Mecanismos combinados

Na maioria das situações práticas ocorrem ao mesmo tempo dois ou mais mecanismos de transferência de calor atuando ao mesmo tempo. Nos problemas da engenharia, quando um dos mecanismos domina quantitativamente, soluções aproximadas podem ser obtidas desprezando-se todos, exceto o mecanismo dominante. Entretanto, deve ficar entendido que variações nas condições do problema podem fazer com que um mecanismo desprezado se torne importante.

Como exemplo de um sistema onde ocorrem ao mesmo tempo vários mecanismos de transferência de calor considere uma garrafa térmica.

Condução

A lei de Fourier

A lei de Fourier foi desenvolvida a partir da observação dos fenômenos da natureza em experimentos. Imaginemos um experimento onde o fluxo de calor resultante é medido após a variação das condições experimentais. Consideremos, por exemplo, a transferência de calor através de uma barra de ferro com uma das extremidades aquecidas e com a área lateral isolada termicamente.

Com base em experiências, variando a área da seção da barra, a diferença de temperatura e a distância entre as extremidades, chega-se a seguinte relação de proporcionalidade:

q = - k . A . dT/dx, onde:

q é o fluxo de calor por condução;

k é a condutividade térmica do material;

A é a área da seção através da qual o calor flui, medida perpendicularmente à direção do fluxo;

dT/dx é a razão de variação da temperatura com a distância, na direção do fluxo de calor.

Condução de calor em uma parede plana

Consideremos a transferência de calor por condução através de uma parede plana submetida a uma diferença de temperatura. Ou seja, submetida a uma fonte de calor, de temperatura constante e conhecida, de um lado, e a um sorvedouro de calor do outro lado, também de temperatura constante e conhecida. Um bom exemplo disto é a transferência de calor através da parede de um forno, que tem espessura, área transversal e foi construído com material de condutividade térmica. Do lado de dentro a fonte de calor mantém a temperatura na superfície interna da parede constante.

Convecção

Lei básica

O calor transferido por convecção, na unidade de tempo, entre uma superfície e um fluído, pode ser calculado através da relação proposta por Isaac Newton:

q = h . A . ∆T, onde:

q é o fluxo de calor transferido por convecção;

A é a área de transferência de calor;

∆T é a diferença de temperatura entre a superfície e a do fluído em um local longe da superfície;

h é o coeficiente de transferência de calor por convecção ou coeficiente de película.

Camada limite

Quando um fluído escoa ao longo de uma superfície, seja o escoamento em regime laminar ou turbulento, as partículas na vizinhança da superfície são desaceleradas em virtude das forças viscosas. A porção de fluído contida na região de variação substancial de velocidade é denominada de camada limite hidrodinâmica.

Consideremos agora o escoamento de um fluido ao longo de uma superfície quando existe uma diferença de temperatura entre o fluido e a superfície. Neste caso, o fluido contido na região de variação substancial de temperatura é chamado de camada limite térmica. Por exemplo, analisemos a transferência de calor para o caso de um fluido escoando sobre uma superfície aquecida. Para que ocorra a transferência de calor por convecção através do fluido é necessário um gradiente de temperatura (camada limite térmica) em uma região de baixa velocidade (camada limite hidrodinâmica).

O mecanismo da convecção pode então ser entendido como a ação combinada de condução de calor na região de baixa velocidade onde existe um gradiente de temperatura e movimento de mistura na região de alta velocidade. Portanto:

·      região de baixa velocidade – a condução é mais importante;

·      região de alta velocidade – a mistura entre o fluido mais quente e o mais frio é mais 

importante.

Mecanismos combinados de transferência de calor (condução-convecção)

Consideremos uma parede plana situada entre dois fluidos a diferentes temperaturas. Um bom exemplo desta situação é o fluxo de calor gerado pela combustão dentro de um forno, que atravessa a parede por condução e se dissipa no ar atmosférico.

Portanto, também quando ocorre a ação combinada dos mecanismos de condução e convecção, a analogia com a eletricidade continua válida; sendo que a resistência total é igual à soma das resistências que estão em série, não importando se por convecção ou condução.

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Vídeo importantíssimo sobre o porquê de se estudar fenômenos de transporte, elaborado pelo professor Túlio Carísio de Paula.