Introdução
Olá, estudante!
A engenharia térmica trata dos processos de transferência de calor e da metodologia para calcular a velocidade com que estes são produzidos e, assim, poder projetar os componentes e sistemas em que são aplicáveis. Veremos que a transferência de calor abrange uma ampla gama de fenômenos físicos que devem ser entendidos antes de se prosseguir para o desenvolvimento da metodologia que conduz ao dimensionamento térmico dos sistemas correspondentes.
Também introduziremos o conceito de calor. Sempre que há uma diferença de temperatura, a energia é transferida da região de temperatura mais alta para a temperatura mais baixa. De acordo com os conceitos estabelecidos por diversos autores, a termodinâmica é a energia transferida na forma de calor como resultado de uma diferença de temperatura.
Veremos, ainda, que, embora as leis da termodinâmica tratem da transferência de energia, elas são aplicadas apenas a sistemas em equilíbrio e que são usados para prever a quantidade de energia necessária para mudar um sistema de um estado de equilíbrio para outro, mas não servem para prever a rapidez (tempo) com que essas mudanças podem ocorrer. Assim, a fenomenologia que estuda a transmissão do calor complementa os princípios termodinâmicos, fornecendo métodos de análise que permitem prever esta taxa de transferência de calor.
São muitos os estudos que serão abordados aqui. Preparado(a) para conhecer um pouco mais sobre cada um deles?! Então, vamos lá!
Termodinâmica
A termodinâmica é o ramo da física que estuda as transformações de energia envolvendo calor, trabalho mecânico e outros aspectos da energia, bem como a relação entre transformações e propriedades da matéria. Inicialmente, a termodinâmica surgiu do estudo da produção de trabalho mecânico a partir de fontes de calor, e seu interesse se concentrou nas aplicações técnicas de máquinas térmicas. No entanto, hoje a termodinâmica intervém extensivamente nos domínios da física (fenômenos superfícies, baterias, magnetismo), da química (reações químicas, balanças), da engenharia (refrigeração, turbinas, motores), da biologia (fenômenos bioenergéticos), da meteorologia (umidade, previsão do tempo), entre outros.
Do ponto de vista histórico, a termodinâmica desenvolveu-se durante os séculos XVIII e XIX, quando as noções de calor e temperatura não eram entendidas completamente. Ela evoluiu para uma teoria formal e elegante cujos resultados e métodos tornaram-se extremamente importantes para fins da engenharia devido aos motores a vapor que foram desenvolvidos mais ou menos nesta época.
Na vida cotidiana, frequentemente referimo-nos às formas sensitiva e latente de energia interna como falamos da quantidade de calor dos corpos. Na engenharia, no entanto, tais formas de energia são referidas usualmente como energia térmica para evitar qualquer confusão com transferência de calor. (ÇENGEL; BOLES, 2015, p. 37).
Pode-se dizer que a termodinâmica clássica estuda aqueles fenômenos físicos macroscópicos relacionados ao calor e à temperatura, limitando-se ao estudo de estados de equilíbrio e transformações que pode ser representado por uma série contínua de estados de equilíbrio. Uma amostra de substância sólida, líquida ou gasosa pode ser descrita de duas maneiras básicas:
Dependendo dos átomos e das moléculas que a constituem, das interações entre esses componentes e dos limites impostos pela forma da amostra ou do invólucro que a contém: essa descrição é chamada microscópica, e seu estudo corresponde à Teoria Cinética e à Mecânica Estatística.
Dependendo das propriedades macroscópicas da amostra, que podem ser determinadas por medidas práticas: estas medidas apenas detectam valores médios das coordenadas atômicas das partículas, que são massa, volume, densidade, pressão, temperatura, calor específico, constante dielétrica, módulo de elasticidade, etc. Esse tipo de descrição, característica da termodinâmica, recebe o nome de macroscópica.
A termodinâmica é, portanto, uma disciplina fenomenológica, que estuda os fenômenos que ocorrem em sistemas de um ponto de vista geral, macroscópico, em termos de propriedades físicas observáveis e mensuráveis. Portanto, não faz suposições sobre a constituição íntima da matéria, e seus princípios são independentes de uma imagem molecular. A validade de suas equações repousa na crença de que fenômenos físicos se cumprem hoje, e continuarão sempre a cumprir, os chamados princípios termodinâmicos, extraídos de nossa experiência no mundo macroscópico em que vivemos.
Algumas das grandezas macroscópicas usadas na termodinâmica são a pressão (p) de um gás ou força por unidade de área que é exercida pelo gás em uma superfície; o volume (V) desse gás; e ou o número de mols (n), que especifica a quantidade de gás. Outras grandezas macroscópicas são a temperatura (T); a energia interna (U); e a entropia (S). Essas propriedades caracterizam o sistema, de modo que o estado de um sistema termodinâmico é descrito pelos valores que essas magnitudes possuem.
Calor
A energia transferida por meio dos limites de um sistema devido a uma diferença de temperatura constitui calor. Nessa definição, está implícito o fato importante de que um corpo não contém calor, mas o denominamos assim como sendo energia na medida em que cruza os limites. Isso é, o calor é um fenômeno transitório. Se considerarmos o corpo quente como um sistema e o corpo frio como outro, chegamos à conclusão de que originalmente nem um nem outro contém calor (eles contém energia, é claro).
Fonte: wirestock/ Freepik.
Descrição da figura: A imagem mostra uma foto de um termômetro de mercúrio feito em madeira em tom amarelo. Ele demarca graus Celsius e Fahrenheit e está enterrado parcialmente na areia que contempla a maior parte da foto. Ao fundo, há uma pequena faixa de mar.
Ao colocar ambos os sistemas em comunicação térmica, o calor é transferido do corpo quente para o corpo frio, até que o equilíbrio térmico seja estabelecido. A temperatura é como um potencial que governa a passagem de calor. Como o calor é uma forma de energia, deve ser medido em unidades de energia, e, portanto, em joules, conforme o Sistema Internacional de Unidades (SI). Uma unidade prática de calor é a caloria (cal), que é: \(1~cal=4.186~J\).
Quando dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato, ocorre transferência de calor até que ambos os corpos tenham a mesma temperatura nos pontos de contato. Portanto, um fluido e uma superfície sólida têm a mesma temperatura nos pontos de contato. Essa propriedade é conhecida como condição de continuidade da temperatura. (ÇENGEL; BOLES, 2015, p. 30).
Foi Joule quem encontrou esse equivalente mecânico do calor, em um aparelho formado por um calorímetro cheio de água e dentro do qual havia pás conectadas a um eixo que girava por meio de um mecanismo formado por uma massa (\(m\)) presa a um fio. Se a massa está inicialmente em repouso, ao abaixar a uma altura (\(h\)), sua energia potencial em um valor \(mgh\) diminui e aumenta sua energia cinética em \(1/2~m{{v}^{2}}\). Joule também descobriu que aumenta a temperatura da água por um valor \(\Delta T\) porque a energia térmica passa para a água devido ao atrito das lâminas com a água. Assim sendo, \(mgh-\frac{1}{2}m{{v}^{2}}=JM\Delta {{T}^{{}}}\).
Onde \(M\) é a massa de água contida no calorímetro e \(J\) é o equivalente mecânico do calor, cujo valor é \(J=4.186~J/cal\).
Ao assistir ao vídeo, foi possível conhecer um pouco sobre os conceitos históricos de calor. Gostou do tema, estudante?! Então, vamos compreender sobre capacidade calorífica e calor específico!
Capacidade calorífica e calor específico
Se uma colher de chá fria for mergulhada em uma xícara de café quente, a colher é aquecida e o café é resfriado até atingir o equilíbrio térmico. A interação que causa essas mudanças de temperatura é basicamente uma transferência de energia de uma substância para a outra, dada exclusivamente por uma diferença de temperatura chamada de fluxo de calor ou transferência de calor, e a energia transferida é chamada de calor. Nós usamos o símbolo \(Q\) para a quantidade de calor.
\[1~cal=4.186~J\]
\[1~J=0,24~cal\]
Os corpos são diferenciados uns dos outros também porque absorvem energia térmica em taxas diferentes. Esse fato se reflete na definição da unidade histórica de calor (caloria), que é definida como a energia térmica necessária para aumentar a temperatura de um grama de água por um grau Celsius, especificamente, no intervalo entre 14,5 e 15,5 ºC (LIVI, 2017, p. 191). A capacidade calorífica de um corpo é a quantidade de energia na forma de calor necessária para aumentar sua temperatura em um grau.
Variação da energia térmica de um corpo pela variação de temperatura:
\[C=\underset{\Delta T\to 0}{\mathop{lim}}\,\frac{Q}{\Delta T}=\frac{\delta Q}{dT}\]
Já o calor específico \(\left( c \right)\) de uma substância é definido como a quantidade de calor que deve ser fornecida para uma unidade de massa para aumentar a sua temperatura em um grau. Assim, as dimensões dessa magnitude são:
\[\frac{Energia}{massa.~incremento~de~T}\]
As unidades no numerador são geralmente joules ou calorias (as unidades de energia mais utilizadas). As unidades de aumento de temperatura podem ser, indistintamente,\(^{0}C\) ou \(K\). Como um aumento de temperatura de \({{1}^{o}}C\) equivale a um aumento de \(1~K\) de temperatura, o fluxo de calor que uma certa massa de um fluido deve receber para aumentar sua temperatura em um certo incremento de T seria calculado de acordo com a seguinte equação:
\[Q=m.c.\Delta T\]
\[c=\frac{Q}{m.\Delta T}\Rightarrow c=\underset{\Delta T\to 0}{\mathop{lim}}\,\frac{1}{m}\frac{Q}{\Delta T}=\frac{1}{m}\frac{\delta Q}{dT}\Rightarrow \]
\[Unidades:~cal/\left( g{{.}^{o}}C \right)~ou~J/\left( kg.K \right)\]
\[c=\underset{\Delta T\to 0}{\mathop{lim}}\,\frac{1}{n}\frac{Q}{\Delta T}\frac{1}{n}\frac{\delta Q}{dT}\Rightarrow \]
\[Unidades:~cal/\left( mol{{.}^{o}}C \right)ou~J/\left( mol.K \right)\]
Onde:
\(Q\) é o fluxo de calor;
\(m\) é a massa da substância;
\(\Delta T\) é o aumento de temperatura sofrido por essa substância.
Assim, o calor específico (variável específica) é a energia calorífica por unidade de massa ou por mol de substância que deve ser fornecida a um corpo para aumentar em um grau sua temperatura.
A mesma equação seria usada para calcular o fluxo de calor emitido por uma certa massa de uma substância que é resfriada.
O calor específico da água é \(1cal/{{g}^{o}}C\). Esse valor é anormalmente alto devido às peculiaridades desta substância.
Os diferentes materiais do planeta Terra permanentemente trocam calor, ou seja, transferem energia térmica entre si, sempre do corpo mais quente para o mais frio, o que provoca mudanças na sua própria temperatura. Em nosso universo, as mudanças produzidas pela ação de calor na matéria podem ser resumidas em estados físicos da matéria. O modelo molecular cinético é baseado na Teoria Molecular Cinética, proposta por Robert Boyle, para explicar a descontinuidade da matéria e o comportamento dos gases diante das mudanças de pressão e temperatura. Esse modelo nos permite explicar o que acontece na matéria no nível molecular quando ela absorve ou libera calor. Veja com mais detalhes no infográfico a seguir.
Estados da matéria
O estado físico da matéria é constituído pela organização e pela energia cinética das moléculas. Veremos alguns dos estados físicos da matéria descobertos ao longo do tempo.
Descrição de imagem: Há um infográfico que possui sete botões dispostos verticalmente. O título do infográfico é “Estados da matéria”; após ele, há o texto: “O estado físico da matéria é constituído pela organização e pela energia cinética das moléculas. Veremos alguns dos estados físicos da matéria descobertos ao longo do tempo”. Ao clicar em cada botão, tem-se a explicação de um estado físico da matéria. De cima para baixo, temos: 1) “Gasoso: Os gases não têm forma ou volume próprios, suas partículas movem-se continuamente e ocupam todo o volume do recipiente que os contém. Moléculas de gás podem se mover no espaço: os gases podem fluir. Além disso, quando aquecidos, os gases se expandem, ou seja, ocupam mais espaço, mas sua massa não muda”; 2) “Líquido: Os líquidos têm seu próprio volume, mas não têm forma adequada, então assumem a forma do recipiente que os contém. Moléculas podem se mover, mas a uma velocidade inferior à dos gases. É por isso que os líquidos podem fluir, mas menos do que os gases”; 3) “Sólido: Os sólidos têm volume e forma definidos, o que significa que o espaço que ocupam é único e sua forma permanece estável. No estado sólido, as forças atrativas entre as partículas são muito mais fortes e intensas do que as de repulsão, por isso as partículas estão muito próximas umas das outras e são incapazes de se mover (embora vibrem um pouco)”; 4) Plasma: Se um gás recebe energia suficiente (calor ou eletricidade), suas partículas podem perder algumas cargas negativas e um conjunto de cargas positivas (cátions). Esse estado, formado por gases ionizados, é chamado de plasma. O fogo é um exemplo de plasma de temperatura não muito alta. A coroa amarelo-alaranjada vista ao redor de uma vela ou chama de isqueiro é produzida pela ionização dos átomos (eles deixam de ser neutros e adquirir cargas) presentes nas moléculas de ar”; 5) “Condensado de Bose-Einstein: O condensado de Bose-Einstein é alcançado a temperaturas muito baixas, por meio da condensação de milhares de átomos. Sua principal característica é que as partículas que o compõem se encontram no mesmo estado quântico”; 6) Condensado de Fermi: É uma fase superfluida formada por partículas fermiônicas em baixas temperaturas. A natureza do condensado implica que todas as partículas que o compõem estejam no mesmo estado quântico, o que só é possível se essas partículas forem bósons (componentes do estado de Bose-Einstein); 7) “Superfluidos: Nos superfluidos, os átomos começam a se comportar como se fossem sólidos e fluidos ao mesmo tempo, que se encontram sob uma temperatura muito baixa, comportando-se como se não tivessem viscosidade e apresentando transmissão de calor anormalmente elevada. Fonte: Adaptado de Gaspar (2002) e Çengel e Afshin (2009). Há uma ilustração, à direita, dos três estados físicos da matéria: um copo com água, simbolizando o estado líquido, gelo, representando o estado sólido, e a evaporação em cima do copo juntamente com uma nuvem, retratando o estado gasoso.
Em termodinâmica, estudamos que a energia existe em diferentes formas. Neste momento, no entanto, estamos interessados principalmente no calor, definido, segundo Çengel e Afshin (2009), como a forma de energia que pode ser transferida de um sistema para outro em consequência da diferença de temperatura entre eles. A ciência que estuda as taxas de transferência do calor é chamada transferência de calor.
Transferência de Calor
As leis de transferência de calor são de suma importância no projeto e na operação de múltiplos equipamentos, como geradores de vapor, fornos, pré-aquecedores, trocadores, refrigeradores, evaporadores, condensadores, etc., em inúmeras aplicações industriais.
Em muitos casos, o objetivo principal é obter as velocidades máximas de transmissão de calor por unidade de área, compatível com fatores econômicos. Em outros casos, como em trocadores, recuperadores e regeneradores, o objetivo é o uso e a recuperação de calor. Finalmente, outras vezes é interessante minimizar as perdas de calor mediante isolamento.
REFLITA
Insolação
O calor, quando suave, é agradável, mas, em excesso, pode causar problemas de saúde. Uma insolação ocorre quando a temperatura do corpo sobe acima de 40º. O corpo humano funciona a cerca de 37º e é bastante sensível às variações externas. Por isso, possui mecanismos que regulam sua temperatura, como o suor, e distribuem o calor pelo sangue, expulsando-o para o exterior. Quando você sofre de insolação, todos esses mecanismos param de funcionar, a temperatura aumenta e os fluidos corporais abundantes são perdidos.
Fonte: Adaptado de Varella (2013).
É geralmente aceito que o calor é transferido de três maneiras diferentes, que são designadas como condução, convecção e radiação. Essas três formas de transferência são as mais simples isoladamente, embora, na prática, seja normal que pelo menos duas delas ocorram simultaneamente, tornando os fenômenos mais complexos de estudar.
Condução
A transferência de calor por condução pode ocorrer em qualquer dos três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. A condução é basicamente um mecanismo de transferência de energia entre partículas.
Fonte: davit85/ 123RF.
Descrição da figura: A imagem mostra uma foto bem próxima de quatro barras de metal incandescente em tom alaranjado e em torno de tons marrons.
A energia das moléculas aumenta à medida que a temperatura aumenta. Essa energia pode passar de uma molécula para outra adjacente, desta para a próxima, e assim por diante, seja por colisão entre partículas, por fluidos ou por vibrações de rede em sólidos.
Observa-se que, em geral, os bons condutores elétricos são também bons condutores de calor. Os metais puros (como cobre, ouro, prata e alumínio) apresentam grandes concentrações de elétrons livres, de maneira que nesses metais, além do mecanismo de interação molecular (ou vibração da rede), também ocorre uma condução de calor através dos elétrons livres, que é o mecanismo predominante nesses metais puros. (LIVI, 2017, p. 134).
A condução em sólidos goza, portanto, de um suporte material, que são as moléculas do próprio corpo, que vibram em posições fixas sem se mover. Portanto, a transferência de energia por condução, macroscopicamente, não envolve transporte de matéria. O raciocínio é válido tanto para a transferência de energia dentro de um
sólido quanto para sólidos em contato.
Nos fluidos, a condução é explicada pela troca de energia cinética de suas moléculas, que é produzida como resultado de colisões entre elas. A transmissão de calor por condução em fluidos é produzida fundamentalmente no que vamos definir como a camada limite e tem pouca importância no resto da massa.
É possível quantificar os processos de transferência de calor em termos de equações ou modelos apropriados. Essas equações ou modelos são usados para calcular a quantidade de energia transferida por unidade de tempo. Para condução de calor, a equação ou equação-modelo é conhecida como Lei de Fourier, vista a seguir.
Se um corpo de comprimento \(L\) e seção transversal \(A\) tem uma de suas extremidades na temperatura \({{T}_{1}}\) e a outra em \({{T}_{2}}\) e é adequadamente isolado ao longo de seu comprimento \(L\), de modo que a energia térmica só pode seguir o caminho oferecido pelo volume \(A.LT\), assumindo que \({{T}_{2}}\) > \({{T}_{1}}\), a versão finita da Lei de Fourier afirma que, quando o regime estacionário for alcançado ao colocar o corpo em contato com os focos em temperaturas \({{T}_{i}}\), um certo tempo até que cada seção atinja a temperatura que corresponde ao gradiente térmico \(\left( \frac{{{T}_{2}}-{{T}_{1}}_{{}}}{L} \right)\), a velocidade de transferência de calor \(Q\) será dada por:
\[Q=K.A\left( \frac{{{T}_{2}}-{{T}_{1}}_{{}}}{L} \right)\]
O fluxo de calor ou transferência de calor por unidade de área \(Q\) \(\left( W/{{m}^{2}} \right)\) é a velocidade com que o calor é transferido na direção \(x\) por unidade de área perpendicular à direção de transferência, e é proporcional ao gradiente de temperatura.
A constante de proporcionalidade \(K\) é uma propriedade de transporte conhecida como condutividade térmica \(\left( W/m.K \right)\) e é uma propriedade do material.
Assim como a viscosidade relaciona a tensão aplicada com a taxa de deformação resultante, há uma propriedade chamada de condutividade térmica que relaciona o vetor taxa de fluxo de calor por unidade de área ao vetor gradiente de temperatura. Essa proporcionalidade, observada experimentalmente para fluidos e sólidos, é conhecida como lei de Fourier da condução de calor. (WHITE, 2010, p. 42).
O sinal de menos é uma consequência do calor que é transferido na direção de temperatura decrescente. Sob as condições de estado estacionário, a distribuição de temperaturas é linear.
Assistindo ao vídeo, você conheceu um pouco sobre a vida de Fourier e seus feitos na matemática e na física, especialmente no campo da calorimetria.
Convecção
Diferentemente da condução, a convecção envolve o transporte de energia e matéria, portanto, essa forma de transferência de calor só é possível em fluidos e também é característica deles.
Fonte: radub85/ 123RF.
Descrição da figura: A imagem mostra uma foto do topo de duas torres de resfriamento de usinas feitas de concreto em tons marrom claro. Ao fundo, céu azul claro com poucas nuvens.
De uma forma mais geral, podemos explicar que o modo de transferência de calor por convecção é composto por dois mecanismos. Além da transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (condução), a energia também é transferida pelo movimento global do fluido. Esta é a transferência de calor, então devido a uma superposição de dois transportes de energia, um pelo movimento aleatório das moléculas e o outro pelo movimento global do fluido. Costuma-se usar o termo “convecção” em referência a este transporte acumulado.
Analisaremos a transferência de calor por convecção que ocorre entre um fluido em movimento e uma superfície limitante, quando estes têm temperaturas diferentes.
A taxa de transferência de calor por unidade de área para um corpo por meio de um fluido em convecção natural ou gravitacional é uma função da diferença de temperatura, da gravidade, do comprimento do corpo e de três propriedades do fluido: viscosidade cinemática, condutividade e coeficiente de expansão térmica. (WHITE, 2010, p. 342).
Chamamos de camada limite hidrodinâmica ou de velocidade a região no fluido em que a sua velocidade varia de zero a um valor finito (\({{u}_{\infty }}\)), sendo uma consequência da interação do fluido em si com a superfície de contato. Além disso, se as temperaturas da superfície e do fluido forem diferentes, haverá uma região do fluido no qual a temperatura varia de \({{T}_{s}}\) em \(y=0\), a \({{T}_{\infty }}\) na saída. Esta região, chamada de camada limite térmica, pode ter um tamanho diferente da camada limite térmica de velocidade. A apreciação dos fenômenos da camada limite é essencial para a compreensão da transferência de calor por convecção. A equação ou o modelo apropriado que caracteriza os processos de transferência de calor por convecção é da forma:
\[q=h{{\left( {{T}_{s}}-{{T}_{\infty }} \right)}_{{}}}\]
Onde \(q\) é o fluxo de calor convectivo \(\left( W/{{m}^{2}} \right)\), proporcional à diferença entre a temperaturas da superfície e do fluido, \({{T}_{s}}\) e \({{T}_{\infty }}\), respectivamente. Esta expressão é conhecida como Lei do Resfriamento de Newton, e a constante de proporcionalidade \(h~\left( W/{{m}^{2}}.K \right)\) é chamada de coeficiente de calor convectivo. Isso depende das condições da camada limite, que são influenciadas pela geometria da superfície, pela natureza do movimento do fluido e por uma variedade de propriedades do fluido.
Qualquer estudo de convecção é finalmente reduzido a um estudo dos meios pelos quais é possível determinar \(h\).
FIQUE POR DENTRO
Lei de Resfriamento de Newton
A Lei de Resfriamento de Newton afirma que a velocidade de variação da temperatura é proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e a vizinhança.
Para conhecer mais sobre a teoria e aplicação da Lei de Resfriamento de Newton, veja o artigo “A lei de resfriamento de Newton: aliando teoria e prática”, de Tavares e Leite (2018), disponível no link:
https://bit.ly/3VVzIim. Acesso em: 13 dez. 2022.
Fonte: Elaborado pela autora.
A transferência de calor por convecção é classificada de acordo com a natureza do fluxo. Falamos de convecção forçada quando o escoamento é causado por meios externos, como ventilador, uma bomba ou o vento. Na convecção livre, o escoamento é induzido por forças de flutuabilidade decorrentes de diferenças de densidade causadas por variações de temperaturas no fluido. Ou seja, as moléculas do fluido, quando aquecidas, expandem-se, perdem densidade e tendem a subir, deixando seu lugar para outros de maior densidade. Originam-se assim correntes de convecção que produzem a mistura das diferentes camadas do fluido e o aumento da energia de suas moléculas. Por sua vez, esses tipos de fluxos podem ser externos ou internos.
Descrevemos o modo de transferência de calor por convecção como a transferência de energia que ocorre dentro de um fluido devido aos efeitos combinados de condução e movimento geral do fluido. Em geral, a energia que é transferida é a energia sensível ou energia térmica interna do fluido. No entanto, existem processos de convecção em que há também troca de calor latente. Dois casos de especial interesse são a ebulição e a condensação.
Radiação
A radiação térmica é a energia emitida pela matéria em uma temperatura finita. Concentraremos nossa atenção na radiação de superfícies sólidas, no entanto, esta radiação também pode vir de líquidos ou gases.
A transferência de calor por radiação consiste no transporte de energia por radiação térmica. Uma das características do mecanismo de radiação é que, além de não necessitar um meio material para a transferência de calor, o transporte de energia tem eficiência máxima através do vácuo absoluto. Qualquer superfície com temperatura acima de zero kelvin emite radiação térmica. Define-se como corpo negro uma superfície que absorve totalmente a radiação que incide sobre ela. (LIVI, 2017, p. 136).
Na radiação térmica, o calor é transmitido por ondas eletromagnéticas, assim como a luz, mas estas apresentam comprimentos diferentes. A energia radiante depende das características da superfície e da temperatura do corpo emissor. Ao incidir sobre um receptor, parte da energia passa para este outro corpo, dependendo das características dele e de seu poder de absorção. Essa energia se traduz em um aumento da temperatura do segundo corpo. A transferência de calor por radiação envolve apenas o transporte de energia, não necessita de suporte material, inclusive, ocorrendo no vazio.
Fonte: oobqoo/ 123RF.
Descrição da figura: A figura mostra uma imagem em 3D do sol incandescente em tons de amarelo e vermelho com raios solares em volta e ao fundo, céu preto com estrelas brilhantes.
A radiação que a superfície emite origina-se da energia térmica da matéria limitada pela superfície, e a taxa na qual ela libera energia por unidade de área \(\left( W/{{m}^{2}} \right)\) é chamada de potência de emissão de superfície (\(E\)). Existe um limite superior para a potência emissiva, que é estabelecido pela Lei Stefan-Boltzmann:
\[{{E}_{b}}=\sigma T_{s}^{4}\]
onde \({{T}_{s}}\) é a temperatura absoluta \(\left( K \right)\) da superfície e \(\sigma \) é a constante de Stefan- Boltzmann \(\left( \sigma ={{5,67.10}^{-8}}~W/{{m}^{2}}.{{K}^{4}} \right)\). Essa superfície é chamada de radiador ideal ou corpo negro. O fluxo de calor emitido por uma superfície real é menor do que o de um corpo negro em uma mesma temperatura e é dado por:
\[E=\varepsilon \sigma T_{s}^{4}\]
onde \(\varepsilon \) é uma propriedade radiativa da superfície chamada emissividade. Com valores na faixa de \(0\le \varepsilon \le 1\), esta propriedade fornece uma medida da eficiência com que uma superfície emite energia em relação a um corpo negro.
SAIBA MAIS
Radiação térmica
Na engenharia térmica, consideramos apenas a radiação térmica, ou seja, a radiação que transporta energia na forma de calor. No entanto, existem muitos fenômenos diferentes de radiação eletromagnética.
Para conhecer mais sobre a aplicação da radiação térmica e o problema da radiação de cavidade e demonstrando a Lei de Stefan- Boltzmann, acesse o vídeo “Radiação térmica - capítulo 1 (Eisberg & Resnick) 1ª parte - corpo negro [Stefan-Boltzmann]”, do professor Fernando Dantas.
Este problema é uma das razões que levaram à criação da física quântica.
Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=eNHyP2_UIP8. Acesso em: 13 dez. 2022.
Fonte: Elaborado pela autora.
Segundo Bergman (2019), a radiação também pode atingir uma superfície da vizinhança e pode ser de uma fonte especial, como o Sol, ou de outras superfícies de interesse.
Designamos a taxa de velocidade na qual toda essa radiação incide em uma área unitária da superfície como irradiação \(G\). Uma parte da irradiação, ou toda, pode ser absorvida pela superfície, aumentando assim a energia térmica do material. A taxa na qual a energia radiante por unidade de área superficial é absorvida é avaliada a partir do conhecimento de uma propriedade radiativa da superfície chamada absortividade \(\alpha \). Quer dizer,
\[{{G}_{abs}}=\alpha G\]
onde \(0\le \alpha \le 1\). Se \(\alpha <1\) e a superfície for opaca \(\left( \tau =0 \right)\), parte da irradiação é refletida. Se a superfície é semitransparente \(\left( \tau \ne 0 \right)\), parte da irradiação também é transmitida. No entanto, enquanto a radiação é absorvida e emitida, aumenta e diminui respectivamente a energia térmica da matéria, e a radiação transmitida e refletida não têm efeito sobre esta energia.
Um caso especial que ocorre frequentemente envolve a troca de radiação entre uma pequena superfície em \({{T}_{s}}\) e uma superfície isotérmica muito maior. Os arredores podem ser as paredes de uma sala cuja temperatura \({{T}_{a}}\) é diferente daquela de uma superfície circundada \(\left( {{T}_{s}}\ne {{T}_{a}} \right)\).
Se aceitarmos que, para tal condição, a irradiação se aproxima da emissão de um corpo preto para \({{T}_{a}}\), então \(G=\sigma T_{a}^{4}\). Se assumirmos ainda que a superfície é tal que \(\alpha =\varepsilon \) (superfície cinza), então a taxa líquida de transferência de calor por radiação da superfície, expressa por unidade de área de superfície, é:
\[q=\frac{Q}{A}=\varepsilon {{E}_{b}}\left( {{T}_{s}} \right)-\alpha G=\varepsilon \sigma \left( T_{s}^{4}-T_{a}^{4} \right)\]
Por meio dessa equação diferenciamos a energia liberada mediante a emissão por radiação e a energia absorvida.
A expressão que determina a troca da radiação líquida também se dá por:
\[q={{h}_{r}}\left( {{T}_{s}}-{{T}_{a}} \right)\]
onde o coeficiente de transferência de calor por radiação é:
\[{{h}_{r}}=\varepsilon \sigma \left( {{T}_{s}}+{{T}_{a}} \right)(T_{s}^{2}+T_{a}^{2}){{_{{}}^{{}}}_{{}}}\]
