(Transferência) de calor

O nome transferência foi colocado entre parêntesis de propósito, para lembrar que calor já é uma transferência de energia. Então, transferência de calor significa transferência da transferência de energia, que parece ser algo redundante. De todo modo, transferência de calor, como é denominação comum na literatura, é a ciência que explica e prediz quão rápida ocorre a troca de energia como calor. É a ciência que integra as várias ferramentas analíticas e empíricas provendo um fórum, um corpo de conhecimento, para projetistas, construtores, operadores, gerentes e pesquisadores de forma mais acurada estudar calor como uma troca de energia. A transferência de calor procura responder a questão de que modo a taxa de transferência de calor da 1ª lei da termodinâmica ocorre.

A preocupação com energia, sua conservação ou economia pela sociedade requer numa extensão importante a compreensão dos conceitos de transferência de calor e transferência de massa. 

Aplicações de transferência de calor:

• isolamento (por fibra de vidro) de tetos e paredes de edifícios para manter determinadas condições climáticas;
• quantificação da perda de energia através de janelas modernas e isoladas para manter o ambiente confortável tanto no inverno quanto no verão;
• projeto e operação de geradores de vapor (caldeiras) ou ebulidores requer a compreensão da transferência de calor que ocorre da queima (combustão) de carvão, gás, óleo ou alguma biomassa para a água nos tubos;
• projeto e construção de um radiador (convector) para um motor de automóvel para mantê-lo “frio” quando em operação envolve transferência de calor e massa;
• dissipação de calor em linhas de potência elétrica devido à resistência elétrica;
• proteção de cabos elétricos contra fogo e altas temperaturas;
• manutenção de temperaturas adequadas em circuitos de computadores e outros sistemas;
• condicionamento de ar para conforto térmico;
• processos sanitários, manuseio de lixo, esterilização;
• manuseio e processamento de alimentos.
• conversão de energia solar em energia térmica em painéis solares
• conversão de solar em energia elétrica em painéis fotovoltaicos

Modos de transferência de calor:

Os modos principais de transferência de energia na forma de calor são condução (difusão), convecção (transporte de entalpia associado ao transporte de massa) e radiação. A condução térmica ocorre através de um elemento material no qual existe um gradiente de temperatura. Ela representa o efeito global do transporte de energia por portadores elementares (moléculas, fônons, elétrons, etc.). 

Em fluidos os portadores elementares (moléculas, átomos, íons, etc.) são caracterizados por energia de translação, possivelmente vibração e rotação, energia eletrônica.

Em sólidos os átomos são arranjados em uma estrutura cristalina mais ou menos perfeita. Os vetores de energia são fônons (quanta de vibração da estrutura cristalina) e talvez elétrons livres (condução elétrica e térmica).

Em radiação, energia é permanentemente trocada entre um sistema material e um campo de radiação pelos seguintes processos:

• emissão espontânea de radiação que consiste na conversão de energia térmica (energia de vibração ou rotação, energia eletrônica, energia de fônons, etc. para uma energia radiativa (de fótons);
• absorção de radiação pela conversão inversa de energia radiativa para energia térmica.

Sob o ponto de vista de radiação, pode-se definir três tipos de meio:

• meio transparente como aquele que não emite, não absorve, não reflete ou difunde, mas transmite toda radiação incidente qualquer que seja sua direção e frequência;
• meio opaco que não transmite qualquer radiação incidente (I_i) que pode ser absorvida (I_a) ou refletida (I_r). O meio opaco também pode emitir a radiação (I_e);
• meio semitransparente que reflete, absorve ou difunde a radiação incidente, ou transmite-a em distâncias finitas.

A convecção térmica pode ser dividida em três tipos:

• convecção forçada, quando o escoamento do fluido é imposto por equipamento (bombas, turbina, ventiladores, etc.);
• convecção natural ou livre, quando um gradiente de temperatura provoca diferenças de densidade o que faz com que o escoamento seja espontâneo e
• convecção mista, quando estão presentes tanto a convecção forçada, quanto a convecção natural.

O escoamento de fluido pode ser laminar, quando ocorre às baixas velocidades ou turbulento quando ocorre às velocidades altas. Em problemas de convecção é necessário determinar os campos de velocidade e temperatura simultaneamente para calcular os fluxos convectivos.

Transferência de massa 

Em muitos processos, associada às transferências de energia ocorre a transferência de massa. Transferência de massa é o estudo do movimento de massa de um local para outro através do uso de dispositivos mecânicos ou naturalmente devido à diferença de densidade. A diferença de densidade provoca difusão (transporte microscópico) de massa (uma espécie penetra em outra) ou convecção natural (transporte macroscópico) de massa. Os dispositivos mecânicos (bombas, ventiladores e compressores) provocam difusão e convecção forçada de massa. Exemplos onde ocorre transferência de massa:

• processos químicos;
• poluição do ar;
• combustão;
• processos criogênicos (baixas temperaturas) tais com produção de N₂, H₂ e O₂ líquidos, gelo seco (CO₂ líquido). 

Mecânica dos Fluidos

Em Ciências Térmicas, em que são estudados os processos e sistemas termo fluidos, tão importante quanto à Termodinâmica e à Transferência de Calor é a disciplina de Mecânica dos Fluidos. A Mecânica dos Fluidos, de forma simplificada, está associada aos conceitos de estática, cinemática e dinâmica dos fluidos. Os vários regimes de escoamentos de fluidos que podem ocorrer em um processo são estudados na mecânica dos fluidos. Os escoamentos “bem-comportados”, em que as camadas de fluidos deslizam umas sobre as outras são denominados de escoamentos laminares; enquanto, os escoamentos onde existe alguma desordem no movimento das moléculas de fluidos são denominados de escoamentos turbulentos. O regime de escoamento pode ser estabelecido através de um parâmetro que envolve uma dimensão característica da geometria onde ocorre o escoamento, a velocidade média do escoamento e as propriedades do fluido, densidade e viscosidade. Este parâmetro é um número adimensional conhecido como número de Reynolds, em homenagem a Osborne Reynolds que realizou experimentos de visualização de escoamentos em laboratório, no século XIX.

A mecânica de fluidos aborda o problema de solução dos campos de velocidade e pressão nos processos de transferência de calor em que o modo convecção térmica é predominante; como ocorre em trocadores de calor com fluidos como meio para adição ou remoção de energia térmica. A solução deste tipo de problema, em geometrias complexas, geralmente, requer a solução de sistemas de equações diferenciais parciais não lineares; usando ferramentas e técnicas computacionais apropriadas, num ramo denominado de dinâmica dos fluidos computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics). 

Na solução de problemas de escoamento; se a massa específica do fluido, ρ, varia de forma significativa; o escoamento é denominado de compressível; tendo como exemplo, escoamentos de fluidos em estado gasoso. Caso a variação da massa da massa específica seja desprezível, o escoamento é denominado de incompressível; sendo mais comum para fluidos em estado líquido ou gases com número de Mach menor do que 0,3. O número de Mach, que é definido como a razão da velocidade média do escoamento pela velocidade do som no meio, é o parâmetro usado para definir se um escoamento é incompressível ou compressível, o que impacta também nos métodos de abordagem para solução.

Comparativo entre as disciplinas Termodinâmica, Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos

Em essência a termodinâmica lida com estados de equilíbrios térmico (igualdade de temperatura), mecânico (igualdade de pressão) e químico (igualdade dos potenciais químicos); enquanto, a transferência de calor lida com processos que envolvem diferença de temperatura (desequilíbrio térmico). A mecânica dos fluidos (estudo do movimento dos fluidos) lida com diferença de pressão seja ela natural ou forçada (desequilíbrio mecânico). Na prática, todas estas disciplinas estão interligadas e interdependentes nos mais variados tipos de projetos de sistemas no campo das Ciências Térmicas.

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