transferência de calor -Heat transfer

Simulação da convecção térmica no manto terrestre . As cores variam de vermelho e verde a azul com temperaturas decrescentes. Uma camada limite inferior quente e menos densa envia plumas de material quente para cima e o material frio do topo se move para baixo.

A transferência de calor é uma disciplina da engenharia térmica que diz respeito à geração, uso, conversão e troca de energia térmica ( calor ) entre sistemas físicos. A transferência de calor é classificada em vários mecanismos, como condução térmica , convecção térmica , radiação térmica e transferência de energia por mudanças de fase . Os engenheiros também consideram a transferência de massa de diferentes espécies químicas (transferência de massa na forma de advecção), fria ou quente, para obter a transferência de calor. Embora esses mecanismos tenham características distintas, muitas vezes ocorrem simultaneamente no mesmo sistema.

A condução de calor, também chamada de difusão, são as trocas microscópicas diretas de energia cinética de partículas (como moléculas) ou quasipartículas (como ondas de rede) através da fronteira entre dois sistemas. Quando um objeto está em uma temperatura diferente de outro corpo ou de seus arredores, o calor flui para que o corpo e os arredores atinjam a mesma temperatura, ponto em que estão em equilíbrio térmico . Essa transferência espontânea de calor sempre ocorre de uma região de alta temperatura para outra região de temperatura mais baixa, conforme descrito na segunda lei da termodinâmica .

A convecção de calor ocorre quando o fluxo de massa de um fluido (gás ou líquido) transporta seu calor através do fluido. Todos os processos convectivos também movem o calor em parte por difusão. O fluxo do fluido pode ser forçado por processos externos, ou às vezes (em campos gravitacionais) por forças de empuxo causadas quando a energia térmica expande o fluido (por exemplo em uma pluma de incêndio), influenciando assim sua própria transferência. O último processo é freqüentemente chamado de "convecção natural". O primeiro processo costuma ser chamado de "convecção forçada". Nesse caso, o fluido é forçado a fluir por meio de uma bomba, ventilador ou outro meio mecânico.

A radiação térmica ocorre através do vácuo ou de qualquer meio transparente ( sólido , fluido ou gás ). É a transferência de energia por meio de fótons ou ondas eletromagnéticas regidas pelas mesmas leis.

Visão geral

Intensidade da radiação térmica de ondas longas da Terra , das nuvens, atmosfera e superfície.

A transferência de calor é a energia trocada entre materiais (sólido/líquido/gás) como resultado de uma diferença de temperatura. A energia livre termodinâmica é a quantidade de trabalho que um sistema termodinâmico pode realizar. A entalpia é um potencial termodinâmico , designado pela letra "H", que é a soma da energia interna do sistema (U) mais o produto da pressão (P) e do volume (V). Joule é uma unidade para quantificar energia , trabalho ou quantidade de calor.

A transferência de calor é uma função de processo (ou função de caminho), em oposição às funções de estado ; portanto, a quantidade de calor transferida em um processo termodinâmico que altera o estado de um sistema depende de como esse processo ocorre, não apenas da diferença líquida entre os estados inicial e final do processo.

A transferência de calor termodinâmica e mecânica é calculada com o coeficiente de transferência de calor , a proporcionalidade entre o fluxo de calor e a força motriz termodinâmica para o fluxo de calor. O fluxo de calor é uma representação vetorial quantitativa do fluxo de calor através de uma superfície.

Em contextos de engenharia, o termo calor é tomado como sinônimo de energia térmica. Esse uso tem origem na interpretação histórica do calor como um fluido ( calórico ) que pode ser transferido por várias causas, e que também é comum na linguagem dos leigos e da vida cotidiana.

As equações de transporte para energia térmica ( lei de Fourier ), momento mecânico ( lei de Newton para fluidos ) e transferência de massa ( leis de difusão de Fick ) são semelhantes, e analogias entre esses três processos de transporte foram desenvolvidas para facilitar a previsão de conversão de qualquer um aos outros.

A engenharia térmica diz respeito à geração, uso, conversão, armazenamento e troca de transferência de calor. Como tal, a transferência de calor está envolvida em quase todos os setores da economia. A transferência de calor é classificada em vários mecanismos, como condução térmica , convecção térmica , radiação térmica e transferência de energia por mudanças de fase .

Mecanismos

Os quatro modos fundamentais de transferência de calor ilustrados com uma fogueira

Os modos fundamentais de transferência de calor são:

advecção
A advecção é o mecanismo de transporte de um fluido de um local para outro e depende do movimento e do momento desse fluido.
Condução ou difusão
A transferência de energia entre objetos que estão em contato físico. A condutividade térmica é a propriedade de um material de conduzir calor e avaliada principalmente em termos da Lei de Fourier para condução de calor.
Convecção
A transferência de energia entre um objeto e seu ambiente, devido ao movimento do fluido. A temperatura média é uma referência para avaliar as propriedades relacionadas à transferência de calor por convecção.
Radiação
A transferência de energia pela emissão de radiação eletromagnética .

advecção

Ao transferir a matéria, a energia - incluindo a energia térmica - é movida pela transferência física de um objeto quente ou frio de um lugar para outro. Isso pode ser tão simples quanto colocar água quente em uma garrafa e aquecer uma cama, ou o movimento de um iceberg na mudança das correntes oceânicas. Um exemplo prático é a termohidráulica . Isso pode ser descrito pela fórmula:

onde
  • é o fluxo de calor (W/m 2 ),
  • é a densidade (kg/m 3 ),
  • é a capacidade térmica a pressão constante (J/kg·K),
  • é a diferença de temperatura (K),
  • é a velocidade (m/s).

Condução

Em escala microscópica, a condução de calor ocorre quando átomos e moléculas quentes, em movimento rápido ou em vibração interagem com átomos e moléculas vizinhos, transferindo parte de sua energia (calor) para essas partículas vizinhas. Em outras palavras, o calor é transferido por condução quando átomos adjacentes vibram uns contra os outros, ou quando os elétrons se movem de um átomo para outro. A condução é o meio mais significativo de transferência de calor dentro de um sólido ou entre objetos sólidos em contato térmico . Fluidos - especialmente gases - são menos condutores. A condutância de contato térmico é o estudo da condução de calor entre corpos sólidos em contato. O processo de transferência de calor de um lugar para outro sem o movimento de partículas é chamado de condução, como quando se coloca a mão em um copo de água fria – o calor é conduzido da pele quente para o copo frio, mas se a mão estiver mantido a poucos centímetros do vidro, ocorreria pouca condução, pois o ar é um mau condutor de calor. A condução em estado estacionário é um modelo idealizado de condução que ocorre quando a diferença de temperatura que conduz a condução é constante, de modo que, após um tempo, a distribuição espacial de temperaturas no objeto condutor não muda mais (consulte a lei de Fourier ) . Na condução em estado estacionário, a quantidade de calor que entra em uma seção é igual à quantidade de calor que sai, pois a mudança de temperatura (uma medida de energia térmica) é zero. Um exemplo de condução em estado estacionário é o fluxo de calor através das paredes de uma casa quente em um dia frio - dentro da casa é mantida uma temperatura alta e, fora, a temperatura permanece baixa, de modo que a transferência de calor por unidade de tempo fica próxima a um taxa constante determinada pelo isolamento na parede e a distribuição espacial da temperatura nas paredes será aproximadamente constante ao longo do tempo.

A condução transitória (consulte a equação do calor ) ocorre quando a temperatura dentro de um objeto muda em função do tempo. A análise de sistemas transitórios é mais complexa e as soluções analíticas da equação do calor são válidas apenas para sistemas modelo idealizados. Aplicações práticas são geralmente investigadas usando métodos numéricos, técnicas de aproximação ou estudo empírico.

Convecção

O fluxo do fluido pode ser forçado por processos externos, ou às vezes (em campos gravitacionais) por forças de empuxo causadas quando a energia térmica expande o fluido (por exemplo em uma pluma de incêndio), influenciando assim sua própria transferência. O último processo é freqüentemente chamado de "convecção natural". Todos os processos convectivos também movem o calor em parte por difusão. Outra forma de convecção é a convecção forçada. Neste caso, o fluido é forçado a fluir por meio de uma bomba, ventilador ou outro meio mecânico.

A transferência de calor por convecção , ou simplesmente convecção, é a transferência de calor de um lugar para outro pelo movimento de fluidos , um processo que é essencialmente a transferência de calor por transferência de massa . O movimento em massa do fluido aumenta a transferência de calor em muitas situações físicas, como (por exemplo) entre uma superfície sólida e o fluido. A convecção é geralmente a forma dominante de transferência de calor em líquidos e gases. Embora às vezes discutido como um terceiro método de transferência de calor, a convecção é geralmente usada para descrever os efeitos combinados de condução de calor dentro do fluido (difusão) e transferência de calor por fluxo de fluxo de fluido em massa. O processo de transporte por fluxo de fluidos é conhecido como advecção, mas advecção pura é um termo geralmente associado apenas ao transporte de massa em fluidos, como a advecção de seixos em um rio. No caso de transferência de calor em fluidos, onde o transporte por advecção em um fluido é sempre também acompanhado por transporte por difusão de calor (também conhecido como condução de calor), o processo de convecção de calor é entendido como a soma do transporte de calor por advecção e difusão/condução.

A convecção livre ou natural ocorre quando os movimentos do fluido em massa (correntes e correntes) são causados ​​por forças de flutuação que resultam de variações de densidade devido a variações de temperatura no fluido. Convecção forçada é um termo usado quando os fluxos e correntes no fluido são induzidos por meios externos - como ventiladores, agitadores e bombas - criando uma corrente de convecção induzida artificialmente.

Resfriamento por convecção

O resfriamento convectivo às vezes é descrito como a lei de resfriamento de Newton :

A taxa de perda de calor de um corpo é proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e seus arredores .

No entanto, por definição, a validade da lei de resfriamento de Newton exige que a taxa de perda de calor por convecção seja uma função linear ("proporcional a") da diferença de temperatura que impulsiona a transferência de calor e, no resfriamento por convecção, às vezes não é o caso. . Em geral, a convecção não depende linearmente dos gradientes de temperatura e, em alguns casos, é fortemente não linear. Nestes casos, a lei de Newton não se aplica.

Convecção vs. condução

Em um corpo de fluido que é aquecido por baixo de seu recipiente, pode-se considerar que a condução e a convecção competem pelo domínio. Se a condução de calor for muito grande, o fluido que desce por convecção é aquecido por condução tão rapidamente que seu movimento para baixo será interrompido devido à sua flutuabilidade , enquanto o fluido que sobe por convecção é resfriado por condução tão rapidamente que sua impulsão diminuirá. Por outro lado, se a condução de calor for muito baixa, um grande gradiente de temperatura pode ser formado e a convecção pode ser muito forte.

O número Rayleigh ( ) é o produto dos números Grashof ( ) e Prandtl ( ). É uma medida que determina a força relativa da condução e da convecção.

onde

O número de Rayleigh pode ser entendido como a razão entre a taxa de transferência de calor por convecção e a taxa de transferência de calor por condução; ou, de forma equivalente, a razão entre as escalas de tempo correspondentes (isto é, escala de tempo de condução dividida pela escala de tempo de convecção), até um fator numérico. Isso pode ser visto a seguir, onde todos os cálculos dependem de fatores numéricos dependendo da geometria do sistema.

A força de empuxo que impulsiona a convecção é aproximadamente , então a pressão correspondente é aproximadamente . No estado estacionário , isso é cancelado pela tensão de cisalhamento devido à viscosidade e, portanto, é aproximadamente igual a , onde V é a velocidade típica do fluido devido à convecção e à ordem de sua escala de tempo. A escala de tempo de condução, por outro lado, é da ordem de .

A convecção ocorre quando o número de Rayleigh está acima de 1.000–2.000.

Radiação

Objeto de ferro em brasa, transferindo calor para o ambiente circundante por meio de radiação térmica

A transferência de calor por radiação é a transferência de energia via radiação térmica , ou seja, ondas eletromagnéticas . Ocorre através do vácuo ou de qualquer meio transparente ( sólido , fluido ou gás ). A radiação térmica é emitida por todos os objetos em temperaturas acima do zero absoluto , devido a movimentos aleatórios de átomos e moléculas na matéria. Como esses átomos e moléculas são compostos de partículas carregadas ( prótons e elétrons ), seu movimento resulta na emissão de radiação eletromagnética que transporta energia. A radiação normalmente só é importante em aplicações de engenharia para objetos muito quentes ou para objetos com uma grande diferença de temperatura.

Quando os objetos e as distâncias que os separam são grandes em tamanho e comparados ao comprimento de onda da radiação térmica, a taxa de transferência de energia radiante é melhor descrita pela equação de Stefan-Boltzmann . Para um objeto no vácuo, a equação é:

Para a transferência radiativa entre dois objetos, a equação é a seguinte:

onde

O limite do corpo negro estabelecido pela equação de Stefan-Boltzmann pode ser excedido quando os objetos que trocam radiação térmica ou as distâncias que os separam são comparáveis ​​em escala ou menores que o comprimento de onda térmico dominante . O estudo desses casos é chamado de transferência de calor por radiação de campo próximo .

A radiação do sol, ou radiação solar, pode ser coletada para calor e energia. Ao contrário das formas condutivas e convectivas de transferência de calor, a radiação térmica – chegando dentro de um ângulo estreito, ou seja, vindo de uma fonte muito menor que sua distância – pode ser concentrada em um pequeno ponto usando espelhos refletores, que são explorados na concentração de geração de energia solar ou um vidro em chamas . Por exemplo, a luz do sol refletida nos espelhos aquece a torre de energia solar PS10 e, durante o dia, pode aquecer a água a 285 °C (545 °F).

A temperatura alcançável no alvo é limitada pela temperatura da fonte quente de radiação. (A lei T 4 permite que o fluxo reverso da radiação volte para a fonte.) O sol quente de cerca de 4000 K (em sua superfície) permite atingir aproximadamente 3000 K (ou 3000 °C, que é cerca de 3273 K) a uma pequena sonda no ponto de foco de um grande espelho côncavo e concentrador do Mont-Louis Solar Furnace na França.

Transição de fase

O raio é uma forma altamente visível de transferência de energia e é um exemplo de plasma presente na superfície da Terra. Normalmente, um raio descarrega 30.000 amperes em até 100 milhões de volts e emite luz, ondas de rádio, raios-X e até raios gama. As temperaturas do plasma em relâmpagos podem se aproximar de 28.000 kelvins (27.726,85 °C) (49.940,33 °F) e as densidades de elétrons podem exceder 10 24 m −3 .

A transição de fase ou mudança de fase ocorre em um sistema termodinâmico de uma fase ou estado da matéria para outro por transferência de calor. Exemplos de mudança de fase são o derretimento do gelo ou a ebulição da água. A equação de Mason explica o crescimento de uma gota de água com base nos efeitos do transporte de calor na evaporação e condensação.

As transições de fase envolvem os quatro estados fundamentais da matéria :

Ebulição

Ebulição nucleada da água.

O ponto de ebulição de uma substância é a temperatura na qual a pressão de vapor do líquido se iguala à pressão ao redor do líquido e o líquido evapora , resultando em uma mudança abrupta no volume do vapor.

Em um sistema fechado , temperatura de saturação e ponto de ebulição significam a mesma coisa. A temperatura de saturação é a temperatura para uma pressão de saturação correspondente na qual um líquido ferve em sua fase de vapor. Pode-se dizer que o líquido está saturado com energia térmica. Qualquer adição de energia térmica resulta em uma transição de fase.

Na pressão atmosférica padrão e em baixas temperaturas , não ocorre ebulição e a taxa de transferência de calor é controlada pelos mecanismos monofásicos usuais. À medida que a temperatura da superfície aumenta, ocorre a ebulição local e as bolhas de vapor nucleam, crescem no fluido mais frio circundante e colapsam. Esta é a ebulição nucleada sub-resfriada e é um mecanismo de transferência de calor muito eficiente. Em altas taxas de geração de bolhas, as bolhas começam a interferir e o fluxo de calor não aumenta mais rapidamente com a temperatura da superfície (este é o afastamento da ebulição nucleada ou DNB).

Em pressão atmosférica padrão semelhante e altas temperaturas , o regime hidrodinamicamente mais silencioso de ebulição do filme é alcançado. Os fluxos de calor através das camadas de vapor estáveis ​​são baixos, mas aumentam lentamente com a temperatura. Qualquer contato entre o fluido e a superfície que pode ser visto provavelmente leva à nucleação extremamente rápida de uma nova camada de vapor (" nucleação espontânea "). Em temperaturas ainda mais altas, um máximo no fluxo de calor é alcançado (o fluxo de calor crítico , ou CHF).

O Efeito Leidenfrost demonstra como a ebulição nucleada retarda a transferência de calor devido a bolhas de gás na superfície do aquecedor. Como mencionado, a condutividade térmica da fase gasosa é muito menor do que a condutividade térmica da fase líquida, então o resultado é uma espécie de "barreira térmica de gás".

Condensação

A condensação ocorre quando um vapor é resfriado e muda sua fase para um líquido. Durante a condensação, o calor latente de vaporização deve ser liberado. A quantidade de calor é a mesma absorvida durante a vaporização na mesma pressão do fluido.

Existem vários tipos de condensação:

  • Condensação homogênea, como durante uma formação de névoa.
  • Condensação em contato direto com líquido subresfriado.
  • Condensação em contato direto com uma parede de resfriamento de um trocador de calor: Este é o modo mais comum usado na indústria:
    • A condensação em película é quando um filme líquido é formado na superfície sub-resfriada e geralmente ocorre quando o líquido molha a superfície.
    • A condensação gota a gota ocorre quando gotas de líquido são formadas na superfície subresfriada e geralmente ocorre quando o líquido não molha a superfície.
    A condensação gota a gota é difícil de sustentar de forma confiável; portanto, o equipamento industrial é normalmente projetado para operar no modo de condensação em película.

Derretendo

Derretimento do gelo

A fusão é um processo térmico que resulta na transição de fase de uma substância de um sólido para um líquido . A energia interna de uma substância é aumentada, normalmente com calor ou pressão, resultando em um aumento de sua temperatura até o ponto de fusão , no qual a ordem das entidades iônicas ou moleculares no sólido se decompõe em um estado menos ordenado e o sólido liquefaz. Substâncias fundidas geralmente têm viscosidade reduzida com temperatura elevada; uma exceção a essa máxima é o elemento enxofre , cuja viscosidade aumenta até certo ponto devido à polimerização e depois diminui com temperaturas mais altas em seu estado fundido.

Abordagens de modelagem

A transferência de calor pode ser modelada de várias maneiras.

equação de calor

A equação do calor é uma importante equação diferencial parcial que descreve a distribuição de calor (ou variação de temperatura) em uma determinada região ao longo do tempo. Em alguns casos, soluções exatas da equação estão disponíveis; em outros casos, a equação deve ser resolvida numericamente usando métodos computacionais , como modelos baseados em DEM para sistemas particulados térmicos/reativos (conforme revisado criticamente por Peng et al.).

Análise de sistema agrupado

A análise de sistemas agrupados geralmente reduz a complexidade das equações a uma equação diferencial linear de primeira ordem, caso em que o aquecimento e o resfriamento são descritos por uma solução exponencial simples, geralmente chamada de lei de resfriamento de Newton .

A análise do sistema pelo modelo de capacitância concentrada é uma aproximação comum na condução transitória que pode ser usada sempre que a condução de calor dentro de um objeto for muito mais rápida do que a condução de calor através da fronteira do objeto. Este é um método de aproximação que reduz um aspecto do sistema de condução transiente – aquele dentro do objeto – a um sistema de estado estacionário equivalente. Ou seja, o método assume que a temperatura dentro do objeto é completamente uniforme, embora seu valor possa variar com o tempo.

Neste método, é calculada a relação entre a resistência de calor condutivo dentro do objeto e a resistência de transferência de calor convectiva através do limite do objeto, conhecida como número de Biot . Para números de Biot pequenos, pode-se usar a aproximação da temperatura espacialmente uniforme dentro do objeto : pode-se presumir que o calor transferido para o objeto tem tempo para se distribuir uniformemente, devido à menor resistência a fazê-lo, em comparação com a resistência a calor entrando no objeto.

modelos climáticos

Os modelos climáticos estudam a transferência de calor radiante usando métodos quantitativos para simular as interações da atmosfera, oceanos, superfície terrestre e gelo.

Engenharia

Exposição ao calor como parte de um teste de fogo para produtos corta-fogo

A transferência de calor tem ampla aplicação no funcionamento de vários dispositivos e sistemas. Os princípios de transferência de calor podem ser usados ​​para preservar, aumentar ou diminuir a temperatura em uma ampla variedade de circunstâncias. Os métodos de transferência de calor são usados ​​em várias disciplinas, como engenharia automotiva , gerenciamento térmico de dispositivos e sistemas eletrônicos , controle climático , isolamento , processamento de materiais , engenharia química e engenharia de usinas elétricas .

Isolamento, radiância e resistência

Isoladores térmicos são materiais projetados especificamente para reduzir o fluxo de calor, limitando a condução, a convecção ou ambas. A resistência térmica é uma propriedade do calor e a medida pela qual um objeto ou material resiste ao fluxo de calor (calor por unidade de tempo ou resistência térmica) à diferença de temperatura.

Radiância ou radiância espectral são medidas da quantidade de radiação que passa ou é emitida. As barreiras radiantes são materiais que refletem a radiação e, portanto, reduzem o fluxo de calor das fontes de radiação. Bons isoladores não são necessariamente boas barreiras radiantes e vice-versa. O metal, por exemplo, é um excelente refletor e um péssimo isolante.

A eficácia de uma barreira radiante é indicada por sua refletividade , que é a fração da radiação refletida. Um material com alta refletividade (em um determinado comprimento de onda) tem uma baixa emissividade (no mesmo comprimento de onda) e vice-versa. Em qualquer comprimento de onda específico, refletividade=1 - emissividade. Uma barreira radiante ideal teria uma refletividade de 1 e, portanto, refletiria 100% da radiação recebida. Frascos a vácuo , ou Dewars, são prateados para se aproximar desse ideal. No vácuo do espaço, os satélites usam isolamento de várias camadas , que consiste em muitas camadas de Mylar aluminizado (brilhante) para reduzir bastante a transferência de calor por radiação e controlar a temperatura do satélite.

Dispositivos

Fluxo esquemático de energia em uma máquina térmica.

Uma máquina térmica é um sistema que realiza a conversão de um fluxo de energia térmica (calor) em energia mecânica para realizar trabalho mecânico .

Um termopar é um dispositivo de medição de temperatura e um tipo de sensor de temperatura amplamente utilizado para medição e controle, e também pode ser usado para converter calor em energia elétrica.

Um refrigerador termoelétrico é um dispositivo eletrônico de estado sólido que bombeia (transfere) calor de um lado do dispositivo para o outro quando a corrente elétrica passa por ele. Baseia-se no efeito Peltier .

Um diodo térmico ou retificador térmico é um dispositivo que faz com que o calor flua preferencialmente em uma direção.

Trocadores de calor

Um trocador de calor é usado para uma transferência de calor mais eficiente ou para dissipar o calor. Os trocadores de calor são amplamente utilizados em refrigeração , ar condicionado , aquecimento de ambientes , geração de energia e processamento químico. Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador de um carro, no qual o fluido refrigerante quente é resfriado pelo fluxo de ar sobre a superfície do radiador.

Tipos comuns de fluxos de trocadores de calor incluem fluxo paralelo, fluxo contrário e fluxo cruzado. No fluxo paralelo, ambos os fluidos se movem na mesma direção enquanto transferem calor; no contrafluxo, os fluidos se movem em direções opostas; e no escoamento cruzado, os fluidos se movem em ângulos retos entre si. Os tipos comuns de trocadores de calor incluem casco e tubo , tubo duplo , tubo aletado extrudado, tubo aletado em espiral, tubo em U e placa empilhada. Cada tipo tem certas vantagens e desvantagens sobre outros tipos.

Um dissipador de calor é um componente que transfere o calor gerado dentro de um material sólido para um meio fluido, como o ar ou um líquido. Exemplos de dissipadores de calor são os trocadores de calor usados ​​em sistemas de refrigeração e ar condicionado ou o radiador de um carro. Um tubo de calor é outro dispositivo de transferência de calor que combina condutividade térmica e transição de fase para transferir calor de forma eficiente entre duas interfaces sólidas.

Formulários

Arquitetura

O uso eficiente de energia é o objetivo de reduzir a quantidade de energia necessária para aquecimento ou resfriamento. Na arquitetura, a condensação e as correntes de ar podem causar danos cosméticos ou estruturais. Uma auditoria energética pode ajudar a avaliar a implementação dos procedimentos corretivos recomendados. Por exemplo, melhorias de isolamento, vedação de ar de vazamentos estruturais ou a adição de janelas e portas com eficiência energética.

  • O medidor inteligente é um dispositivo que registra o consumo de energia elétrica em intervalos.
  • A transmitância térmica é a taxa de transferência de calor através de uma estrutura dividida pela diferença de temperatura ao longo da estrutura. É expresso em watts por metro quadrado por kelvin, ou W/(m 2 K). As partes bem isoladas de um edifício têm uma baixa transmitância térmica, enquanto as partes mal isoladas de um edifício têm uma alta transmitância térmica.
  • O termostato é um dispositivo para monitorar e controlar a temperatura.

engenharia climática

Um exemplo de aplicação em engenharia climática inclui a criação de Biochar através do processo de pirólise . Assim, armazenar gases de efeito estufa em carbono reduz a capacidade de forçamento radiativo na atmosfera, causando mais radiação de ondas longas ( infravermelhas ) para o espaço.

A engenharia climática consiste na remoção do dióxido de carbono e no gerenciamento da radiação solar . Uma vez que a quantidade de dióxido de carbono determina o equilíbrio radiativo da atmosfera da Terra, técnicas de remoção de dióxido de carbono podem ser aplicadas para reduzir o forçamento radiativo . O gerenciamento da radiação solar é a tentativa de absorver menos radiação solar para compensar os efeitos dos gases de efeito estufa .

Um método alternativo é o resfriamento radiativo passivo diurno , que aumenta o fluxo de calor terrestre para o espaço exterior através da janela infravermelha (8–13 µm). Em vez de simplesmente bloquear a radiação solar, esse método aumenta a transferência de calor da radiação térmica infravermelha de onda longa (LWIR) com a temperatura extremamente fria do espaço exterior (~ 2,7 K ) para temperaturas ambientes mais baixas, exigindo entrada de energia zero.

Efeito estufa

Uma representação das trocas de energia entre a fonte (o Sol ), a superfície da Terra, a atmosfera da Terra e o último sumidouro do espaço exterior . A capacidade da atmosfera de captar e reciclar a energia emitida pela superfície da Terra é a característica definidora do efeito estufa.

O efeito estufa é um processo pelo qual a radiação térmica de uma superfície planetária é absorvida pelos gases atmosféricos do efeito estufa e é irradiada novamente em todas as direções. Como parte dessa re-radiação volta para a superfície e para a baixa atmosfera, ela resulta em uma elevação da temperatura média da superfície acima do que seria na ausência dos gases.

Transferência de calor no corpo humano

Os princípios de transferência de calor em sistemas de engenharia podem ser aplicados ao corpo humano para determinar como o corpo transfere calor. O calor é produzido no corpo pelo metabolismo contínuo de nutrientes que fornecem energia para os sistemas do corpo. O corpo humano deve manter uma temperatura interna consistente para manter as funções corporais saudáveis. Portanto, o excesso de calor deve ser dissipado do corpo para evitar o superaquecimento. Quando uma pessoa se envolve em níveis elevados de atividade física, o corpo requer combustível adicional que aumenta a taxa metabólica e a taxa de produção de calor. O corpo deve então usar métodos adicionais para remover o calor adicional produzido para manter a temperatura interna em um nível saudável.

A transferência de calor por convecção é impulsionada pelo movimento de fluidos sobre a superfície do corpo. Este fluido convectivo pode ser um líquido ou um gás. Para a transferência de calor da superfície externa do corpo, o mecanismo de convecção depende da área da superfície do corpo, da velocidade do ar e do gradiente de temperatura entre a superfície da pele e o ar ambiente. A temperatura normal do corpo é de aproximadamente 37°C. A transferência de calor ocorre mais prontamente quando a temperatura do ambiente é significativamente menor que a temperatura normal do corpo. Este conceito explica por que uma pessoa sente frio quando não usa cobertura suficiente quando exposta a um ambiente frio. A vestimenta pode ser considerada um isolante que fornece resistência térmica ao fluxo de calor sobre a parte coberta do corpo. Essa resistência térmica faz com que a temperatura na superfície da roupa seja menor que a temperatura na superfície da pele. Esse gradiente de temperatura menor entre a temperatura da superfície e a temperatura ambiente causará uma taxa menor de transferência de calor do que se a pele não estivesse coberta.

Para garantir que uma parte do corpo não seja significativamente mais quente do que outra, o calor deve ser distribuído uniformemente pelos tecidos corporais. O sangue que flui através dos vasos sanguíneos atua como um fluido convectivo e ajuda a prevenir qualquer acúmulo de excesso de calor dentro dos tecidos do corpo. Esse fluxo de sangue através dos vasos pode ser modelado como fluxo de tubo em um sistema de engenharia. O calor transportado pelo sangue é determinado pela temperatura do tecido circundante, pelo diâmetro do vaso sanguíneo, pela espessura do fluido , pela velocidade do fluxo e pelo coeficiente de transferência de calor do sangue. A velocidade, o diâmetro do vaso sanguíneo e a espessura do fluido podem ser relacionados com o Número de Reynolds , um número adimensional usado na mecânica dos fluidos para caracterizar o fluxo de fluidos.

A perda de calor latente , também conhecida como perda de calor por evaporação, é responsável por uma grande fração da perda de calor do corpo. Quando a temperatura central do corpo aumenta, o corpo aciona as glândulas sudoríparas na pele para trazer umidade adicional à superfície da pele. O líquido é então transformado em vapor que remove o calor da superfície do corpo. A taxa de perda de calor por evaporação está diretamente relacionada à pressão de vapor na superfície da pele e à quantidade de umidade presente na pele. Portanto, o máximo de transferência de calor ocorrerá quando a pele estiver completamente molhada. O corpo perde continuamente água por evaporação, mas a quantidade mais significativa de perda de calor ocorre durante os períodos de maior atividade física.

Técnicas de resfriamento

Resfriamento evaporativo

Um refrigerador de ar tradicional em Mirzapur , Uttar Pradesh , Índia

O resfriamento evaporativo acontece quando o vapor de água é adicionado ao ar circundante. A energia necessária para evaporar a água é retirada do ar na forma de calor sensível e convertida em calor latente, enquanto o ar permanece com entalpia constante . O calor latente descreve a quantidade de calor necessária para evaporar o líquido; esse calor vem do próprio líquido e do gás e superfícies circundantes. Quanto maior a diferença entre as duas temperaturas, maior o efeito de resfriamento evaporativo. Quando as temperaturas são as mesmas, não ocorre nenhuma evaporação líquida da água no ar; portanto, não há efeito de resfriamento.

Resfriamento a laser

Na física quântica , o resfriamento a laser é usado para atingir temperaturas próximas do zero absoluto (-273,15 °C, -459,67 °F) de amostras atômicas e moleculares para observar efeitos quânticos únicos que só podem ocorrer nesse nível de calor.

  • O resfriamento Doppler é o método mais comum de resfriamento a laser.
  • O resfriamento simpático é um processo no qual partículas de um tipo resfriam partículas de outro tipo. Normalmente, os íons atômicos que podem ser resfriados diretamente a laser são usados ​​para resfriar íons ou átomos próximos. Esta técnica permite o resfriamento de íons e átomos que não podem ser resfriados a laser diretamente.

Resfriamento magnético

O resfriamento evaporativo magnético é um processo de redução da temperatura de um grupo de átomos, após o pré-resfriamento por métodos como o resfriamento a laser. A refrigeração magnética esfria abaixo de 0,3 K, fazendo uso do efeito magnetocalórico .

Resfriamento radiativo

Resfriamento radiativo é o processo pelo qual um corpo perde calor por radiação. A energia de saída é um efeito importante no balanço energético da Terra . No caso do sistema Terra-atmosfera, refere-se ao processo pelo qual a radiação de onda longa (infravermelha) é emitida para equilibrar a absorção da energia de onda curta (visível) do Sol. A termosfera (topo da atmosfera) esfria para o espaço principalmente pela energia infravermelha irradiada pelo dióxido de carbono (CO 2 ) a 15 μm e pelo óxido nítrico (NO) a 5,3 μm. O transporte convectivo de calor e o transporte evaporativo de calor latente removem o calor da superfície e o redistribuem na atmosfera.

Armazenamento de energia térmica

O armazenamento de energia térmica inclui tecnologias para coletar e armazenar energia para uso posterior. Pode ser empregado para equilibrar a demanda de energia entre o dia e a noite. O reservatório térmico pode ser mantido a uma temperatura acima ou abaixo da temperatura ambiente. As aplicações incluem aquecimento de ambientes, sistemas de água quente doméstica ou de processo ou geração de eletricidade.

Veja também

Referências

links externos