Exemplo de condução de calor

Dirigir é junto com convecção e a radiação, um dos três mecanismos de transferência de calor. É a transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para as partículas menos energéticas adjacentes, como resultado das interações entre essas partículas. A condução pode ocorrer em qualquer estado físico, seja sólido, líquido ou gasoso. Em gases e líquidos, a condução é devida a colisões e difusão de moléculas durante seu movimento aleatório. Nos sólidos, é devido à combinação das vibrações das moléculas em uma rede e ao transporte de energia pelos elétrons livres. Por exemplo, chegará um momento em que uma bebida fria enlatada em uma sala quente aquece até a temperatura ambiente. como resultado da transferência de calor por condução, da sala para a bebida, através do alumínio que compõe o posso.

A velocidade de condução de calor através de um meio depende da configuração geométrica de isso, sua espessura e o material de que é feito, bem como a diferença de temperatura entre ele. Sabe-se que envolver um tanque de água quente com fibra de vidro, que é um material isolante, reduz a taxa de perda de calor desse tanque. Quanto mais espesso for o isolamento, menor será a perda de calor. Sabe-se também que um tanque de água quente perde calor a uma taxa maior quando a temperatura do ambiente onde está instalado é reduzida. Além disso, quanto maior for o tanque, maior será a área de superfície e, consequentemente, a taxa de perda de calor.

Uma condução em estado estacionário (que permanece constante e sem flutuações aparentes) de calor pode ser considerada através de uma grande parede plana de espessura Δx = L e área A. A diferença de temperatura de um lado da parede para o outro é ΔT = T₂-T₁. Experimentos mostraram que a taxa de transferência de calor Q através da parede dobra quando a diferença de temperatura ΔT é duplicada de um para o outro. outro lado dela, ou então, a área A perpendicular à direção da transferência de calor é dobrada, mas é reduzida à metade quando a espessura L do Muro. Portanto, conclui-se que a Velocidade de Condução de Calor através de uma camada plana é proporcional à diferença. da temperatura através dele e da área de transferência de calor, mas é inversamente proporcional à espessura dessa camada; é representado pela seguinte equação:

Onde a constante de proporcionalidade k é o Condutividade térmica do material, que é uma medida da capacidade de um material para conduzir Calor. No caso limite de Δxà0, a equação anterior se reduz à sua forma diferencial:

A manifestação diferencial é chamada Lei de Fourier de condução de calor, em homenagem a J. Fourier, que o expressou pela primeira vez em seu texto sobre transferência de calor em 1822. A parte dT / dx é chamada Gradiente de temperatura, que é a inclinação da curva de temperatura em um diagrama T-x, ou seja, a taxa de mudança de temperatura em relação a x, a espessura do material, no local x. Em conclusão, a Lei de Condução de Calor de Fourier indica que a taxa de condução de calor em uma direção é proporcional ao gradiente de temperatura nessa direção. O calor é conduzido na direção da temperatura decrescente e o gradiente de temperatura torna-se negativo quando este último diminui com o aumento de x. O sinal negativo nas equações garante que a transferência de calor na direção x positiva seja uma quantidade positiva.

A área A de transferência de calor é sempre perpendicular à direção dessa transferência. Por exemplo, para perda de calor através de uma parede de 5 metros de comprimento, 3 metros de altura e 25 centímetros de espessura, a área de transferência de calor é A = 15 metros quadrados. Deve-se notar que a espessura da parede não afeta A.

Condutividade térmica

 A grande diversidade de materiais armazena calor de forma diferente e a propriedade de Calor Específico C foi definida._P como uma medida da capacidade de um material de armazenar energia térmica. Por exemplo, C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C para água e 0,45 kJ / Kg * ° C para ferro, em temperatura ambiente, indica que a água pode armazenar quase 10 vezes mais energia do que o ferro por unidade de massa. Da mesma forma, a condutividade térmica k é uma medida da capacidade de um material de conduzir calor. Por exemplo, k = 0,608 W / m * ° C para água e 80,2 W / m * ° C para ferro, em temperatura ambiente, indica que o ferro conduz calor mais de 100 vezes mais rápido do que a água. Portanto, a água é considerada um mau condutor de calor em relação ao ferro, embora a água seja um excelente meio para armazenar energia térmica.

Também é possível usar a Lei de Condução de Calor de Fourier para definir a condutividade térmica como velocidade transferência de calor através de uma espessura unitária do material por área unitária por diferença de temperatura unitária. A condutividade térmica de um material é uma medida da capacidade do material de conduzir calor. Um valor alto para condutividade térmica indica que o material é um bom condutor de calor e um valor baixo indica que é um mau condutor ou que é um Isolante térmico.

Difusividade térmica

 Outra propriedade dos materiais que participa da análise da condução de calor em regime transitório (ou mudança) é a difusividade térmica, que representa a rapidez com que o calor se difunde através de um material e é definida como continue:

Sendo o k do numerador a condutividade térmica, e o produto do denominador da densidade da substância pelo calor específico representa a capacidade térmica. A condutividade térmica mostra o quão bem um material conduz o calor, e a capacidade de calor representa quanta energia um material armazena por unidade de volume. Portanto, a difusividade térmica de um material pode ser concebida como a razão entre o calor conduzido através do material e o calor armazenado por unidade de volume.

Um material que tem uma alta condutividade térmica ou baixa capacidade de calor, em última análise, tem uma alta difusividade térmica. Quanto maior a difusividade térmica, mais rápida será a propagação do calor para o meio. Por outro lado, um pequeno valor de difusividade térmica significa que, na maior parte, o calor é absorvido pelo material e uma pequena quantidade desse calor será conduzido posteriormente.

Por exemplo, as difusividades térmicas da carne bovina e da água são idênticas. A lógica reside no fato de que a carne, assim como os vegetais e frutas frescos, são constituídos em grande parte por água e, consequentemente, possuem propriedades térmicas.