Entenda os diferentes tipos de transferência de calor na prática

A transferência de calor é um processo físico que está presente no nosso cotidiano e tem influência em quaisquer atividades que realizamos.

Quando colocamos nossas mãos em contato com uma superfície quente ou quando estamos em um ambiente o qual está em uma temperatura diferente do nosso corpo naquele instante, somos capazes de sentir o efeito prático da transferência de calor.

Embora a troca de calor esteja presente no nosso dia a dia, muitos não sabem que esses dois exemplos mencionados não dizem respeito ao mesmo método de transferência de calor.

Na verdade, a transferência de calor acontece por meio de três diferentes maneiras e, conhecê-las, é algo super relevante na indústria, seja para fazer cálculos, discussões teóricas para projetos e tomadas de decisões.

Neste contexto, a sua relevância em todos os processos industriais exige que o estudo da matéria “transferência de calor” seja comum a diversas engenharias, como as engenharias mecânica, de energia, de materiais, metalúrgica, entre diversas outras.

Por isso, este texto tem o objetivo de inseri-lo neste assunto tão importante, fazendo com que você entenda sobre os diferentes tipos de transferência de calor, através de explicações e exemplos práticos que reforçam a didática.

Portanto, fique por aqui, leia o texto e garanta-se neste assunto quando for requisitado.

Definições iniciais

Antes de começarmos o assunto principal do texto, deixaremos algumas definições iniciais que são relevantes para o seu entendimento.

Desse modo, quando essas definições forem citadas ao longo do texto, é possível que você as encontre em um só lugar.

• Temperatura

A temperatura, apesar de ser algo que temos contato frequente, é na verdade uma noção intuitiva.

A sua definição diz respeito a uma grandeza física que indica o estado (grau de agitação)

das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico.

• Calor

A definição de calor é: energia térmica em trânsito, devido a uma diferença de temperatura entre os corpos.

 

• Termodinâmica

A termodinâmica estuda as interações (trocas de energia) entre um sistema e suas vizinhanças.

• Calor sensível

Quando o calor é utilizado pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico.

Por exemplo, podemos notar essa ocorrência ao aquecermos a água de uma panela antes da fervura, isto é, a água ganha temperatura antes de alterar o seu estado físico para vapor.

• Calor específico

É a quantidade de calor que um quilograma de uma substância recebe ou cede para que sua temperatura se altere de 1 °C.

• Capacidade Térmica (CT)

É a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo para que sua temperatura se altere de 1 °C.

• 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.

Por exemplo, citamos a água fervente que está vaporizando mas não tem a sua temperatura acrescida, pois se encontra na temperatura de ebulição.

O que é a transferência de calor

Enfim, podemos começar a discorrer sobre o assunto principal. Antes de descrever, diferenciar e dar exemplos sobre os diferentes tipos de transferência de calor, devemos apresentar-lhe a definição da transferência de calor de modo geral.

A transferência de calor, então, é um conceito fundamental na física que descreve o movimento de energia térmica de uma região de alta temperatura para uma região de baixa temperatura.

Desse modo e, generalizando para todos os métodos de transferência de calor, devemos guardar que esse processo ocorre somente quando há uma diferença de temperatura entre o sistema que componha (objetos, partículas, entre outros).

Além disso, esse processo ocorre até que um equilíbrio térmico seja alcançado, onde não há mais diferença de temperatura entre os sistemas envolvidos.

Em outras palavras, tendo dois objetos em um sistema isolado, um a 35 °C e o outro a 25 °C, esses trocarão calor (energia térmica percorrendo do corpo de maior temperatura para o de menor) até que ambos estejam com a mesma temperatura (equilíbrio térmico).

Entenda os diferentes tipos de transferência de calor na prática

A transferência de calor em processos industriais pode acontecer de diferentes maneiras e, conhecer quais são esses diferentes métodos, faz a total diferença, principalmente quando é necessário enxergar algum problema existente ou quando se deseja melhorar o processo.

Essa constatação pode ou não ser rasa por agora. Contudo, ao conhecer a definição teórica e ao analisar os exemplos práticos que abaixo serão mencionados, é conclusiva a importância de se conhecer os diferentes modos de transferência de calor.

Então, vamos ao que nos interessa.

• Condução

A condução é um processo de transferência de calor que ocorre através de um meio sólido.

Por exemplo, considere que você esteja em uma câmara fria, a qual armazena frutas frias a uma temperatura de 2 °C.

Essa câmara está fechada (isolada) e a temperatura do ambiente é a mesma que a temperatura da fruta.

Agora, imagine que essa fruta seja posta do lado de fora da câmara fria, sobre o chão que está a uma temperatura de 10 °C.

Esse chão transfere calor para a parte da fruta que está em contato com o solo, por condução, visto que são dois meios sólidos em contato e há diferença de temperatura.

Além disso, a parte da fruta que está mais distante do solo, isto é, do lado oposto à face encostada no chão, não recebe calor do chão, mas recebe calor (também por condução) da face mais quente da fruta.

O mesmo acontece ao aquecer a extremidade de uma barra de aço. Por condução, o calor armazenado na extremidade em contato com o calor, agita e vibra as moléculas da barra, transferindo calor para o comprimento da barra com menor temperatura.

Vale salientar que, ao considerar a condução, é preciso considerar a espessura dos corpos em contato, a área dos mesmos, a diferença de temperatura e a condutividade térmica.

A condutividade quantifica a habilidade dos materiais em conduzir energia térmica. Os que têm baixíssima condutividade, são chamados então de materiais isolantes.

• Convecção

O conceito da convecção pode ser dito como a transferência de energia entre fluidos (líquidos ou gases) de temperaturas distintas, originando em uma corrente de convecção e proporcionada a troca de massas de fluido (o fluido de maior densidade desce, enquanto o de menor densidade sobe).

No exemplo da câmara fria, a massa de ar mais quente sobe (menor densidade), a massa de ar mais fria desce (maior densidade) e fica rente à fruta, fazendo com que a fruta (de temperatura maior que o ar frio) perca calor para essa massa de ar mais fria.

Assim, o refrigerador, por convecção, rouba calor da fruta. Isso acontece até que todos os alimentos do ambiente estejam em temperaturas iguais (equilíbrio térmico).

• Irradiação 

A irradiação é a transferência de calor na forma de ondas eletromagnéticas, como a luz visível e os raios infravermelhos, que não requerem um meio material para se propagar (propaga no vácuo).

Por exemplo, isso pode ser sentido quando estamos expostos à luz solar ou a uma lareira, as quais nos fornecem sensação de calor.

No nosso exemplo, caso a fruta estivesse submetida a radiação solar quando foi retirada da câmara, essa estaria submetida à troca de calor por irradiação.

Portanto, neste texto, aprendemos que o calor flui, naturalmente, do corpo com temperatura mais alta para o corpo com temperatura mais baixa.

Além disso, concluímos que não existe condução ou convecção no vácuo, devido a não existência de matéria. Por outro lado, a transferência de calor por irradiação pode acontecer no vácuo.

No contexto industrial, diversos processos estão submetidos, simultaneamente, a diferentes modos de transferência de calor.

Em uma câmara de queima de combustível sólido de uma caldeira, por exemplo, tem-se irradiação pela chama, convecção pelo ar aquecido e pode haver condução de um material quente para outro mais frio.

Todos esses fatores são comumente encontrados e devem ser considerados nos projetos, seja para a escolha de materiais condutores ou isolantes, bem como as suas espessuras.

Assim, nota-se a necessidade de se estudar a transferência de calor.