Características da água e parametros de analise.

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Prof. Édler L. de Albuquerque [Curso SENAI-CETIND]
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Aula 1 - Fundamentos de Ciências Térmicas
PROFº FABRÍCIO SIQUEIRA
DATA: 12/08/2013
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Objetivos da disciplina
Conhecer e compreender os princípios básicos da transferência de calor;
Identificar, classificar e caracterizar os trocadores de calor industriais mais conhecidos (caldeiras, sistemas de refrigeração, turbinas e etc.).
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Programa da disciplina
Introdução;
Mecanismo de transferência de calor;
Condução;
Convecção;
Radiação;
Transferência de calor combinado;
Trocadores de calor;
Aletas;
Isolamento térmico;
Caldeiras;
Sistema de refrigeração;
Turbinas a vapor e a gás;
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Definições iniciais
Energia (uma definição):
“Capacidade de realizar trabalho”.
Formas de energia:
		- Cinética (movim. macroscópico, térmica etc)
		- Potencial (elétrica, gravitacional, elástica etc)
Matéria:
	“Tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço.”
Principais estados da matéria:
		Sólido, Líquido e gasoso.
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 Gás
 Forma indefinida;
 Arranjo totalmente desordenado;
 Volume indefinido;
 Partículas livres para se moverem.
Principais Estados da Matéria
Sólido
 Forma rígida;
 Arranjo compacto, ordenado;
 Volume definido;
 Movimento molecular restrito.
 Líquido 
 Forma indefinida;
 Arranjo desordenado;
 Volume definido;
 Partículas movem-se umas entre as outras.
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Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.
Temperatura: Noção intuitiva
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Calor e sua propagação
Calor (uma definição):
“Calor é a energia térmica em trânsito, devido a uma diferença de temperatura entre os corpos”.
Há transferência líquida de calor, espontaneamente, do corpo mais quente para o corpo mais frio.
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Unidades de medida de calor
caloria – cal
Joule – J
British thermal unit – Btu
A caloria é definida como a quantidade de calor necessária para se elevar de 14,5°C para 15,5°C uma quantidade de 1g de água. 
O Btu é a quantidade de calor pra elevar 1 lb de água de 63°F para 64°F. 
Joule - unidade adotada pelo SI para energia. 
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Convenção para a Troca de calor
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Troca de Calor
Corpos em desequilíbrio térmico trocam calor para alcançar o equilíbrio.
Em um sistema isolado, a quantidade total de calor trocado entre os corpos é nula, ou seja, o calor total recebido pelos corpos mais frios é igual ao calor total retirado dos corpos mais quentes.
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Observação
Sempre que existir essa diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Até chegar um equilíbrio. 
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 Termodinâmica:
Trata da relação entre o calor e as outras formas de energia. Estuda as interações (trocas de energia) entre um sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho. 
 
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Termodinâmica
A 1ª Lei da Termodinâmica pode ser enunciada assim : 
	"A variação líquida de energia de um sistema é sempre igual a transferência líquida de energia na forma de calor e trabalho" 
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Termodinâmica
A 2ª Lei da Termodinâmica pode ser enunciada assim : 
"É impossível o processo cujo único resultado seja a transferência líquida de calor de um região fria para uma região quente". 
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Diferença: Termodinâmica x Transf. Calor
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Ratificando
 Transferência de calor:
	Indica como ocorre e qual a velocidade com que o calor é transportado.
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O que ocorre com a temperatura de um corpo quando se transfere calor a ele??
A temperatura pode aumentar ou não.
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Calor sensível
Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico.
Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura.
 
Q = C DT = m c DT
Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU etc];
C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC];
m = massa do corpo [g, kg];
c = calor específico da substância [J/(kg ºC)];
T = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC].
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Calores específicos
(a 25ºC e 1 atm) [J/(kg ºC]:
H2O = 4200; Gelo (0ºC) =2040
Etanol = 2400;	Alumínio = 900;
Cobre = 390;	Latão = 380;
Ferro = 450;	Vidro = 840.
Calor específico e capacidade calorífica
É uma grandeza física intensiva que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor.
A capacidade calorífica C mede o efeito da adição de calor sobre a temperatura do sistema. Em outros termos, é uma medição da energia térmica que precisamos adicionar ou retirar do sistema para modificar a sua temperatura.
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Valores de c (25ºC e 1 atm)
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Calor específico para gases
Calor sensível a pressão constante:
		 ∆H = Qp = m cp (Tfinal – Tinicial) 
cp é o calor específico do material a pressão constante;
∆H variação de entalpia do corpo (J, kcal etc.).
Calor sensível a volume constante:
		∆U = Qv = m cv (Tfinal – Tinicial)
cv é o calor específico do material a volume constante;
∆U variação de energia interna do corpo (J, kcal etc.).
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Calor Latente
Quando o calor trocado é utilizado pela substância para mudar de estado físico, sem variação de temperatura e sob pressão constante, ele é chamado de calor latente. 
Ex.: fornecimento de calor à água fervente.
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O calor latente de mudança de estado pode ser:
endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas pois a matéria precisa absorver calor.
exotérmico (Q < 0): As transformações de liquefação, solidificação e sublimação inversa são exotérmicas, pois a matéria precisa liberar calor.
Mudança de fase
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Q = m L
 Q (J) quantidade de calor trocado;
 L (J/kg) calor latente da transformação física;
 m (kg) a massa que mudou de estado físico.
Como a pressão é constante:
Q = ∆H → L = h
 ∆H variação de entalpia da transformação física (J);
 h entalpia específica da transformação física (J/kg).
Cálculo da troca de calor latente
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Qual a velocidade de uma Troca de Calor?
Velocidade  Fluxo de calor
No SI, o fluxo de calor é dado em J/s ou Watt.
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“Grandeza física que indica a direção e permite o cálculo da intensidade do fluxo de calor trocado entre dois corpos”. 
Temperatura (uma definição):
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Transferência de Calor
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. 
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Processos de Transferência de Calor 
Condução
Convecção
Radiação térmica
Condução
Convecção
Radiação térmica
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Condução
Fonte: www.terra.com.br/fisicanet
Transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas por contato direto. 
Necessita obrigatoriamente de meio material para se propagar.
Característico de meios estacionários.
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Condução de Calor
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Condução 
 A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.
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Fluxo de Calor na Condução 
“Lei de Fourier”:
k é a condutividade térmica [W/(m ºC)]
	k (Fe a 300K) = 80,2 W/(m ºC)
	k (água a 300K) = 5,9 x 10-1 W/(m ºC)
	k (ar a 300K) = 2,6 x 10-2 W/(m ºC)
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Condutividade Térmica de diversas substâncias
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Condução - Aplicações e conseqüências
Conforto térmico corporal;
Seleção de materiais para empregos específicos na indústria (condutores e isolantes). 
Por que os iglus são feitos de gelo?
k (gelo a 0ºC) = 1,88 W/(m ºC)
cp (gelo a 0ºC) = 2040 J/(kg ºC)
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Convecção 
Transmissão através da agitação molecular e do movimento do próprio meio ou de partes deste meio;
 
Movimento de partículas mais energéticas por entre partículas menos energéticas; 
 É o transporte de calor típico dos meios fluidos. 
Fonte: www.achillesmaciel.hpg.ig.com.br
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 Na convecção natural, ou livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que vem de diferenças de densidade causadas por variação de temperatura do fluido. 
Convecção natural e forçada
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Na convecção forçada o fluido é forçado a circular sobre a superfície por meios externos, como uma bomba, um ventilador, ventos atmosféricos. 
Convecção natural e forçada
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Fluxo de Calor na Convecção 
“Lei de Newton do Resfriamento”:
- h é o coeficiente de transferência convectiva de calor ou coeficiente de película [W/(m2 ºC)]
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Coeficiente de transferência 
de calor por convecção - h
Processo
 
h [W/(m2
K)]
 
Convecção natural
 
Gases
 
Líquidos
 
 
2 
–
 25
 
50 
–
 1.000
 
Convecção forçada
 
Gases
 
Líquidos
 
 
25 
–
 250
 
50 
–
 20.000
 
Convecção com mudança de fase
 
Ebulição ou condensação
 
 
2.500 
–
 100.000
 
 
Fonte: Incropera 
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Convecção - Aplicações e conseqüências
 Conforto ambiental;
 Refrigeração de circuitos elétricos.
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Irradiação ou radiação térmica
- Toda a matéria que se encontra a uma temperatura acima do Zero Absoluto (0 K) irradia energia térmica. 
 Não necessita de meio material para ocorrer, pois a energia é transportada por meio de ondas eletromagnéticas.
 É mais eficiente quando ocorre no vácuo.
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Radiação Térmica ou Irradiação 
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Ondas eletromagnéticas
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Transmissão de calor por Radiação
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Reflexão
 O refletor perfeito (espelho ideal), r = 1. 
Absorção
 Um corpo negro (absorvedor perfeito), a = 1.
 Um corpo cinzento, a < 1.
 Transmissão
 Um corpo transparente, t ≠ 0 (zero). 
 Um corpo opaco, t = 0 (zero).  
Modelos adotados na radiação térmica
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Transmissão de calor por Radiação
Lei dos Intercâmbios: Todo bom absorvedor é um bom emissor de radiação térmica e todo bom refletor é um mau emissor de radiação térmica. 
Corpo negro é também o emissor ideal de radiação térmica (radiador ideal)!!!! 
Corpos Escuros: bons absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: fuligem (a =  = 0,94).
Corpos claros e polidos: maus absorvedores e emissores de radiação térmica. Ex.: prata polida (a =  = 0,02).
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Fluxo de calor na Radiação
“Lei de Stefan-Boltzmann”:
E – Poder emissivo [W/m2];
 – emissividade (0 ≤  ≤ 1); 
σ – Constante de Stefan-Boltzmann [5,7 x 10-8 W/(m2 K4)];
T – Temperatura absoluta do corpo (K).
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Fluxo de calor transferido por radiação
Para a troca de calor por radiação entre duas superfícies, uma dentro da outra, separadas por um gás que não interfere na transferência por radiação:
Tsuperfície – Temperatura absoluta da superfície menor, suposta mais quente;
Tvizinhança – Temperatura absoluta da superfície maior, suposta mais fria.
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Radiação Térmica - Aplicações
 Fonte alternativa de energia;
 Previsões meteorológicas baseiam-se nas emissões de infra-vermelho provenientes da terra.
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Processos de Transferência de Calor
Os diferentes mecanismos de troca térmica ocorrem simultaneamente nas mais diversas situações.
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Resistência térmica
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Mecanismos Combinados de
transferência de calor 
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Mecanismos Combinados de
transferência de calor