transferência de calor ii - PUC-Rio
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TRANSFERÊNCIA DE CALOR II Profa. Mônica F. Naccache h1p://naccache.usuarios.rdc.puc-‐rio.br/Cursos/ Trans_Calor_II.html Sala 153-‐L naccache@puc-‐rio.br Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 1 • Termodinâmica: estuda as interações de energia entre um sistema e a vizinhaça (calor e trabalho). Trata de estados em equilíbrio. Não trata da natureza da interação. • Transferência de calor: estuda os mecanismos de transferência de calor, e relações para o cálculo das taxas de transferência de calor. Exemplos: Projetos de paredes refratárias, calor perdido em equipamentos, trocadores de calor, etc. Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 2 Modos de transferência de calor Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 3 Condução • Mecanismo: movimentos randômicos translacionais (difusão) de moléculas (fluidos) ou elétrons (sólidos) • Lei de Fourier: fornece a taxa de transferência de calor por condução 1 D: q" x fluxo calor por unid .area(W / m 2) € = −k dT dx condutividade térmica(W / mK ) gradiente temperatura Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 4 Convecção • Mecanismo: difusão + energia transferida pelo movimento macroscópico do fluido (advecção) • Convecção forçada: movimento do fluido é causado por agentes externos (bombas, ven_ladores, etc.) • Convecção natural: movimento do fluido ocorre devido a forças de empuxo, que surgem devido a diferenças de densidade, causadas por diferenças de temperatura • Convecção mista: natural+forçada • Evaporação/Condensação: casos especiais de convecção, onde a energia é transferida na forma de calor latente. Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 5 € Convecção (cont.) • Lei de Newton de resfriamento: fornece a taxa de transferência de calor por convecção q"= h(Ts − T∞ ) h -‐ coeficiente de troca de calor por convecção (W/m2K) Ts -‐ temperatura da superecie T∞ -‐ temperatura do fluido Exemplo: Em convecção natural, har ≈ 10 W/m2K e hágua ≈ 100 W/m2K ⇒ q”água > q”ar (i.e., para um mesmo intervalo de tempo, um corpo na água perde mais calor do que um no ar) Tágua=20 0C Tar=20 0C Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 6 Convecção (cont.) • Ordem de grandeza de h (W/m2K): – Convecção natural: gases -‐ 2 a 25 líquidos -‐ 50 a 1000 – Convecção forçada: gases -‐ 25 a 250 líquidos -‐ 50 a 20000 – Convecção com mudança de fase: 2500 a 100000 Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 7 Radiação • Energia emi_da pela matéria (sólido, líquido ou gás) a temperatura finita. O transporte ocorre por ondas eletromagné_cas. Não é necessário um meio material para a propagação de energia. • Lei de Steffan-‐Boltzman: Fluxo máximo de radiação que pode ser emi_da por uma superecie q"= σTs4 σ = 5.67x10−8 W /m 2K 4 → cte Steffan Boltzman A superecie que emite radiação de acordo com esta relação é chamada de corpo negro € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 8 Radiação (cont.) 4 q"= εσ T s • Para uma superecie real: ε → emissividade 0 ≤ ε ≤1 • Radiação incidente: € q"inc = q"ref +q"trans +q"abs ⇒1= q"ref q"inc + = ρ −refletividade € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio q"trans q" inc = τ −transmissividade + q"abs q"inc = α −absortividade 9 Princípios Fundamentais • Equações de conservação: massa, quan_dade de movimento linear, energia, conservação de massa de espécies químicas • Equações cons_tu_vas: lei de Fourier, lei da viscosidade de Newton, lei de Newton da convecção, lei de Stefan-‐Boltzman Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 10 Hipótese de cononuo • Fluido é modelado como sendo infinitamente divisível, sem mudança de suas caracterís_cas • Todas as propriedades materiais (ρ, µ, κ, …) e variáveis (p, v, T, …) são definidas num ponto como o limite da média da grandeza nas flutuações moleculares • Estudo do movimento a nível macroscópico (p. ex.: escoamento em tubos, em volta de corpos, etc … Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 11 Consequências da hipótese de cononuo • Mecanismos de transporte: – Transporte associado ao campo de velocidade macroscópico u – Mecanismo de transporte “molecular”: contribuição de superecie nas eqs. momentum e energia. • Na formulação cononua, são necessários modelos para descrever o fluxo de momentum e calor a nível molecular • Incerteza nas condições de contorno Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 12 Derivada material ou convectada • Volume material Vm(t): volume arbitrário que contém um certo número de pontos materiais em t=0. Vm(t) se move e se deforma tal que o fluxo de massa através de todos os pontos na sua superecie é zero: D Dt [∫ Vm ( t ) ] ρdV = 0 U(x) Vm(0) Derivada no tempo da massa total associada a Vm Sm(0), Us=u(x) € • Derivada material ou convectada: DB ∂B = + u • ∇B Dt ∂t n expressa a variação com o tempo seguindo uma par5cula material Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio t Vm(t) Sm(t) n 13 • Derivada parcial com relação ao tempo: ∂B $ ∂ B ' ≡& ) ∂t % ∂ t ( z • Derivada total: € DB ∂B Dt € = ∂t + v • ∇B expressa a variação com o tempo, numa posição fixa expressa a variação com o tempo em relação a um “material” arbitrário Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 14 Teorema do Transporte de Reynolds • O teorema do transporte é uma generalização da Regra de Leibnitz para diferenciação de uma integral, 1-‐D, quando ambos integrando e limites de integração variam D Dt [ &1 ' ∫Vm ( t ) B(x(t),t)dV ≡ lim δt →0 ( δt ] [ ) ∫Vm ( t +δt ) B(t + δt)dV - ∫Vm ( t ) B(t )dV *+ ] ∫ Adicionando e subtraindo o termo: D Dt [ 1 B( t + δt ) dV - ∫V ( t ) B( t + δt ) dV ∫Vm ( t ) B(x(t),t)dV ≡ lim ∫ V ( t + δ t ) m m δt →0 δt ] [ ] '1 * = lim ) ∫Vm ( t +δt )−Vm ( t ) B ( t +δt ) dV , (δt + € + Vm B t + δ t dV ( ) (t) [ 1 B( t + δt ) dV − ∫ B( t ) dV ∫ V ( t ) V ( t ) m m δt ∂B ≡∫ dV Vm ( t ) ∂t Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio [ ] ] 15 %1 ( %1 ( lim' [ ∫Vm ( t +δt )−Vm ( t ) B( t + δt ) dV ]* = lim' [ ∫ A m ( t ) B( t + δt )u • nδdA ]* &δt ) &δt ) = ∫ Am ( t ) B( t )u • nδdA Usando o teorema da divergêngia, chega-‐se a forma final para o Teorema de Transporte: D Dt [ %∂B ( ∫Vm ( t ) B(x,t )dV = ∫Vm ( t ) '& ∂t + ∇ • (Bu)*)dV ] Caso o volume esteja se movendo a uma velocidade u*, diferente da velocidade do fluido u: D* Dt * [ %∂B * ( ∫V *m ( t ) B(x,t )dV = ∫V *m ( t ) '& ∂t + ∇ • (Bu )*)dV D* ∂ * ≡ + u •∇ * Dt ∂t ] Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 16 Equação de Conservação de Massa • A equação de conservação de massa (con_nuidade) pode ser derivada usando o conceito de volume material e o Teorema de Transporte: D Dt [ &∂ρ ) ∫Vm ( t ) ρdV = ∫Vm ( t ) (' ∂t + ∇ • (ρu)+*dV = 0 ] ∂ρ + ∇ • ( ρu) = 0 ∂t Dρ ou + ρ∇ • (u) = 0 Dt ∇ • ( ρ u) = ρ ∇ • u + u • ∇ ρ Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 17 Em coordenadas cartesianas: ∂ρ ∂ ( ρu) ∂ ( ρv ) ∂ ( ρw ) + + + =0 ∂t ∂x ∂y ∂z Em coordenadas cilíndricas: € ∂ρ ∂ ( rρur ) ∂ ( ρuθ ) ∂ ( ρuz ) + + + =0 ∂t r ∂r r ∂θ ∂z € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 18 Casos par_culares • Densidade constante (fluido real: ρ=ρ(p,T); fluido incompressível, boa hipótese quando M=|u|/usom<<1) ∇ • u ≡ div u = 0 Obs: a validade da equação acima não implica na incompressibilidade do fluido € permanente: • Regime ∇ • ρu ≡ div ρu = 0 Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 19 Taxa de deformação • A taxa de deformação no ponto de interseção de 2 curvas materiais é descrita pela taxa instântanea de variação do comprimento das curvas e pela taxa de variação do ângulo entre elas Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 20 Tensor taxa de deformação #taxas de alongamento na direção da coordenada quando i = j Dij = $ %metade da taxa de cisalhamento na direção das coordenadas quando i ≠ j 1 T D = (∇v) + (∇v) parte simétrica de (∇v) 2 (∇v) = D+ W [ ] W : tensor vorticidade (parte antissimétrica de (∇v)) Wij … ½ da soma da taxa de rotação, de acordo com a regra da mão direita, em torno da direção k de elementos materiais instantâneamente alinhados com i e j w ≡ tr (ε • W ) = εijkW kj ei = vetor vor_cidade: representação polar de W ∂v j ) 1 & ∂v k ∂v − εijk ((εijk ++ei = εijk k ei = rot ( v) 2 ' ∂z j ∂z k * ∂z j Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 21 € • A direção de w é a do eixo de rotação do fluido • Primeiro Teorema de Cauchy:”O componente do vetor vor_cidade em qualquer direção é a soma das taxas de rotação (no sen_do da regra da mão direita) sobre a direção dos elementos em quaisquer direções perpendiculares a ela e a cada uma outra” w = 0 esc. irrotacional w ≠ 0 esc. rotacional • Se podemos escrever v = −∇P ⇒ w = 0 pois rot (∇α ) = 0 sempre Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 22 Tensor Taxa de Deformação: 1 D = γ˙ 2 € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 23 Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 24 Equação de conservação de momentum • Da Segunda Lei de Newton: "taxa variação quantidade % "soma das forças% $ ' $ ' movimento linear num corpo = agindo sobre o $ ' $ ' $#em relação a um ref inercial '& $#corpo '& €• Aplicando num volume material de fluido: D Dt [ $soma das forças ' ∫Vm ( t ) ρudV = &%agindo em V (t))( m ] Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 25 Tipos de força • Forças de corpo: associadas a presença de campos externos (Ex.: força gravitacional). Neste curso só iremos considerar o efeito da força gravitacional. • Forças de contato ou de superecie: forças do material fora de Vm(t) sobre Vm(t) Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 26 Segunda Lei de Newton para Vm D$ ' ρ u dV )( = ∫V ( t ) ρgdV + ∫ & V ( t ) % m Dtm taxa variação QML em Vm força gravitacional ∫tdA Am ( t ) força agindo sobre a superfície de Vm • Vetor tensão t: força local de superecie por unidade de área • Usando o Teorema do Transporte &∂ ( ρu) ) ∫Vm ( t ) (' ∂t + ∇ • (ρuu) − ρg+*dV = Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio ∫ Am t dA (t) 27 € Tensor das tensões • Seja l a dimensão caracterís_ca de Vm. Quando l →0, a integral de volume vai a zero mais rapidamente do que a integral de área do vetor tensão. Assim, da eq. de momentum aplicada ao tetraedro: lim ∫ l →0 Princípio de equilíbrio da tensão Am ( t ) tdA → 0 Logo: t(n) ΔAn − t(e1 ) ΔA1 − t(e 2 ) ΔA2 − t(e 3 ) ΔA3 = 0 Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 28 € ΔAi = ΔAn (n • e i ) i = 1,2,3 Então: [ t(n) − t(e1) (n • e1 ) − t(e 2 ) (n • e 2 ) − t(e 3 ) (n • e 3 )]ΔAn = 0 No limite l →0: t(n) = n • [(e1 t(e1 ) ) + (e 2t(e 2 ) ) + (e 3t(e 3 ) )] Tensor das tensões T t(x p ,n) = n • T(x p ) Então: ∫ Am ( t ) tdA = ∫ Am ( t ) n • TdA = ∫ Vm ( t ) (∇ • T)dV Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 29 Equação de momentum linear • A equação de momentum fica então: &∂ ( ρu) ) ∫Vm ( t ) (' ∂t + ∇ • (ρuu) − ρg − ∇ • T+*dV = 0 Como Vm é arbitrário, o integrando tem que ser nulo: ∂ ( ρu) + ∇ • ( ρuu) = ρg + ∇ • T ∂t € Combinando a eq. acima com a eq. con_nuidade: € % ∂ (u) ( ρ' + u • ∇ (u)* = ρg + ∇ • T & ∂t ) Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio Equação de Cauchy 30 Equação de momento angular • Observando as equações de massa e momentum, vemos que temos mais incógnitas (u, p, T) do que equações • Generalização da Segunda Lei de Newton: D x × ρu) dV = soma dos torques agindo sobre Vm ( ∫ V ( t ) Dtm Taxa de variação de momento angular em Vm Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 31 € Assim: D Dt ∫ Vm ( t ) ( x × ρu)dV = ∫ A ( t ) [ x × (n • T) + r ] dA + ∫V ( t ) [x × ρg + ρc]dV m Torque forças superfície m Torque forças corpo Hipótese: torques devido a pares de forças nulos (r=0, c=0). Obs: fluidos ferrosos, c≠0. Aplicando o Teo Transporte (lado esquerdo) e o Teo divergência: . '∂ ( ρu) 1 * ∫Vm ( t ) /x × )( ∂t + ∇ • (ρuu) − ρg − ∇ • T,+ + ε T2 dV = 0 0 3 #+1 se (ijk) for permutação par de (123) % ε ijk = $-1 se (ijk) for permutação ímpar de (123) %0 qualquer outro caso (algum índice igual) & Usando a Eq. momentum linear e considerando que Vm é arbitrário, chega-‐se a ε°T=0, e portanto: T=TT, i.e., o tensor das tensões tem que ser simétrico. Obs: se c≠0, ε°T-‐ρc=0, e T não é simétrico. Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 32 Equação de conservação de Energia “A taxa de variação de energia com o tempo, das energias interna e ciné_ca de um corpo, com relação às estrelas fixas é igual a taxa de trabalho das forças que agem sobre ele mais a taxa de transferência de energia para o corpo” E˙ at = E˙ e − E˙ s + E˙ g € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 33 * Taxa de trabalho . *Fluxo de calor . * Taxa de energia. 2 # & , , , , , , D ρv + ρu( dV = +feito sobre Vm pelas / + +através das / + +gerada / % ∫ V ( t ) m Dt 2 $ ' , ,fronteiras de V , ,internamente , ,-forças externas 0 0 m0 taxa de variação de energia em Vm • v 2 = v⋅ v : velocidade local do meio cononuo • ρu: energia interna (representa en. ciné_ca adicional a nível molecular) • Primeira Lei da Termodinâmica Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 34 Equação de conservação de energia na forma diferencial D Dt # ρv 2 & ∫Vm ( t ) % 2 + ρu(dV = $ ' ∫ Am ( t ) [t(n) • v] dA + ∫V ( t ) [( ρg) • v]dV − ∫ A ( t ) [q • n] dA + ∫V ( t ) q˙ dV m m m q: vetor fluxo de calor (cruza a superecie de Vm). Posi_vo quando calor é transferido a Vm Usando o Teo Transporte e o Teo Divergência, e igualando o integrando a zero: ∂ ( ρe) + div( ρe v) = q˙ − divq + ρ v⋅g + ∂t em. gerada fluxo calor cond. trab. força taxa var. en. fluxo en. por convecção gravitacional div(Tv) trab. forças viscosas e de pressão e = u + v2 / 2 div(Tv) = vdivT+ tr (Tgrad v) Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 35 • Balanço de Energia Mecânica: u•(eq. Cauchy) ρ Dv 2 = ( ρg) • v+ v• (divT) 2 Dt • Balanço de Energia Térmico: subs_tuindo a eq. acima na Eq. conservação energia € Du ρ Dt variação en. interna por un. vol. = q˙ −divq p div v ( τ∇ − v + tr ) geração ganho en. aumento rev. de en. por un. por en. int. vol. condução por compressão T = − pΙ + τ 1 D ≡ (∇ v+ ∇ vT ) 2 1 1 ∇ v ≡ (∇ v+ ∇ vT ) + (∇ v+ ∇ vT ) = D+ W 2 2 parte simétrica aumento irrev. en. int. por dissipação viscosa D:Tensor taxa de deformação W: Tensor vor_cidade parte anti-simétrica Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 36 • Usando a entalpia específica: h≡u+p/ρ o balanço de energia térmico fica: Dh Dp ρ = q˙ − div q + + tr ( τ ∇ v) Dt Dt • Novas incógnitas: u (ou h), q • Relações entre u (ou h) e θ e p podem ser ob_das assumindo o equilíbrio termodinâmico: € ,. 1 &∂ (1/ ρ ) ) 0. dh = CP dθ + - − θ ( + 1 dp ./ ρ ' ∂θ * p .2 &∂ (1/ ρ ) ) 0. Dp Dh Dθ ,. 1 ⇒ = CP + - − θ( + 1 Dt Dt ./ ρ ' ∂θ * p .2 Dt Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 37 € Equação de energia em termos da temperatura • A equação de balanço de energia térmico fica (sem o termo de geração): ( ∂ lnv + Dp * ) ∂ ln θ , p Dt Dθ ρC p = tr ( τ ∇ v) − div q − Dt dissipação viscosa trabalho de compressão Dθ ∂p ρCv = tr ( τ ∇ v) − div q − θ div v Dt ∂θ v dissipação viscosa trabalho de compressão Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 38 Segunda Lei da Termodinâmica • Princípio da desigualdade de entropia D n•q dA ≥ 0 ( ρs)dV + ∫ A ( t ) ∫ V ( t ) Dt θ m m Usando o Teo Transporte e o Teo Divergência: € % q( Ds ρ + ∇ •' * ≥ 0 &θ ) Dt Usando relações termodinâmicas, chega-‐se a: € 1 q • ∇θ tr τ∇ v + p∇ • v − ≥0 ( ) ( ) 2 θ θ Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 39 Comentários • A solução de problemas de mecânica dos fluidos é ob_da com a solução das equações de conservação de massa, momento linear e energia • A equação de momento angular e a Segunda Lei aparecem apenas indiretamente, como restrições às equações cons_tu_vas para τ e q • Incógnitas: u (3), τ (9), q (3), θ e p (total:17) • Equações: Conservação de massa (1), momento linear (3), energia (1) e momento angular (reduz as 9 incógnitas τij para 6). • Temos então 14 incógnitas e 5 equações ⇒Equações cons_tu_vas para τ e q Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 40 Equações cons_tu_vas • Fluidos (ou outros materiais) tem uma estrutura molecular definida, e não são indivisíveis e homogêneos como quando assumidos como meio cononuo • Equações cons_tu_vas são relações entre T e q (representam processos de transporte molecular) e os campos (macroscópicos) de velocidade e temperatura. Em outras palavras, elas vão fornecer a relação entre a resposta de um material a uma dada solicitação (campo de escoamento/ temperatura) Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 41 Princípios que devem ser sa_sfeitos • Determinismo: A tensão em um corpo é determinada pela história do movimento que o corpo descreveu • Ação local: O movimento do material for a de uma vizinhança arbitrariamente pequena em torno de uma parocula não influencia a tensão nesta parocula • Indiferença ao referencial: As descrições do comportamento do material (relações cons_tu_vas) têm que ser indiferentes ao referencial Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 42 € Equação cons_tu_va para q: Lei de Fourier q=− K • ∇θ Tensor condutividade térmica, > 0 • A equação foi proposta a par_r da observação de que q€ = q(∇θ ,derivadas de θ de maior ordem) • A equação sa_sfaz ao princípio de obje_vidade (indiferença ao referencial) • Processo de troca de calor é considerado instantâneo • Fluido é considerado homogêneo • A equação proposta foi validada experimentalmente Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 43 Lei de Fourier de condução de calor • Para um fluido isotrópico, o fluxo de calor depende da magnitude do gradiente de temperatura e não da sua orientação (K=kI): q = −k∇θ Lei de Fourier • A Segunda Lei impõe que k>0 € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 44 Equação cons_tu_va para o tensor das tensões -‐ Fluido Newtoniano T + pI = τ (∇u, termos de maior ordem de derivadas em u) τ: tensão desviadora Considerando que τ sa_sfaz ao princípio de obje_vidade, é simétrico e depende apenas da história do movimento: τ = τ (D) 1 T D: parte simétrica de ∇u : ∇u + ∇u ( ) 2 1 € T Ω: parte an_-‐simétrica de ∇u : ∇u − ∇u ( ) 2 € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 45 Equação cons_tu_va para Fluidos Newtonianos • A forma mais geral para Τ é: T = x 0Ι + x1 D+ x 2 D⋅⋅ D x k = x k (Ι D ,ΙΙ D ,ΙΙΙ D ) • A forma linear mais geral para T, consistente com as hipóteses € anteriores é: T = ( − p + λ trD)I + 2 µ D Equação ConsLtuLva para Fluidos Newtonianos € Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 46 • Se o fluido for também incompressível: trD = ∇ • u = 0 T = − pI + 2 µD • A equação cons_tu_va é sa_sfeita pela maioria dos gases e líquidos com baixos e moderados pesos €moleculares • Observa-‐se que a restrição imposta pelo balanço de momento angular é sa_sfeita por T e q • A Segunda Lei é sa_sfeita se: # 2 & % λ + µ ( ≥ 0 , µ ≥ 0, k ≥ 0 $3 ' viscosidade de bulk Profa. Mônica Naccache PUC-‐Rio 47