Não categorizado

Condensador de superfície

Os condensadores de vapor são amplamente classificados em dois tipos:

• Condensadores de superfície (ou condensadores do tipo sem mistura). Nos condensadores de superfície, não há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.
• Condensadores a jato (ou condensadores do tipo mistura). Nos condensadores a jato, há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.

Condensador de superfície

O condensador de superfície foi projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de bypass da turbina. Nos condensadores de superfície, não há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento. O vapor exaurido das turbinas de LP é condensado passando sobre tubos contendo água do sistema de resfriamento . O vapor condensa quando entra em contato com a superfície fria dos tubos e devido à transferência de calor para a água de resfriamento por condução e convecção. Esses tubos geralmente são feitos de aço inoxidável, ligas de cobre ou titânio, dependendo de vários critérios de seleção (como condutividade térmica ou resistência à corrosão).  Tubos de condensador de titâniogeralmente são a melhor escolha técnica, porém o titânio é um material muito caro e o uso de tubos de condensador de titânio está associado a custos iniciais muito altos. Em geral, existem dois tipos de condensadores de superfície:

• condensador de superfície resfriado a água
• condensador de superfície resfriado a ar

Em usinas termelétricas, onde a água de resfriamento é escassa, pode ser usado um condensador resfriado a ar. No entanto, um condensador resfriado a ar é significativamente mais caro e não pode atingir uma pressão (e temperatura) de exaustão de turbina a vapor tão baixa quanto um condensador de superfície resfriado a água.

A água é aquecida no condensador e descarregada no sistema de resfriamento (por exemplo, torre de resfriamento, rio, mar ou lago de resfriamento). O condensado coletado desses condensadores é reutilizado como água de alimentação na caldeira. Como a água de resfriamento e o vapor não se misturam, o condensado é recuperado e qualquer tipo de água de resfriamento pode ser usado. Em comparação com os condensadores a jato, em condensadores de superfície é possível manter um alto vácuo, portanto, é possível obter maior eficiência térmica. Por outro lado, os condensadores de superfície são volumosos, exigem grande área e altos custos de capital. Mas esses custos de capital podem ser recuperados pela maior eficiência térmica (ou seja, maior), economia no custo de operação.

Assim, esses condensadores são mais adequados para usinas termelétricas modernas. Estes são geralmente usados ​​onde uma grande quantidade de água inferior está disponível e melhor qualidade da água de alimentação deve ser fornecida à caldeira.

Condensador a jato

Condensador principal

O sistema principal do condensador de vapor (MC) foi projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de bypass da turbina. Nas usinas termelétricas, geralmente existem condensadores de superfície como o principal condensador . O vapor exaurido das turbinas LP é condensado passando por tubos que contêm água do sistema de resfriamento. Existe uma unidade condensadora principal sob cada turbina LP , geralmente abaixo da turbina com seu eixo perpendicular ao eixo da turbina. Como as usinas nucleares geralmente contêm também um condensador auxiliar (por exemplo, para condensar o vapor de bombas de água de alimentação movidas a vapor), os engenheiros usam o termo ” condensador principal “.

A pressão no interior do condensador é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, a temperatura da água no sistema de refrigeração) e por ejetores de vapor ou bombas de vácuo, que puxam os gases (não condensáveis) do condensador de superfície e os ejetam para a atmosfera. A pressão no interior do condensador determina a potência total do sistema de conversão de energia. Usinas termelétricas geralmente são equipadas com os chamados ” condensadores de superfície “.

O vapor condensado (agora denominado condensado ) é coletado na câmara quente do condensador. A câmara quente do condensador também fornece uma capacidade de armazenamento de água, necessária para fins operacionais, como a composição da água de alimentação. O condensado (líquido saturado ou ligeiramente sub-resfriado) é entregue à bomba de condensado e depois bombeado por bombas de condensado para o desaerador através do sistema de aquecimento de água de alimentação . As bombas de condensado aumentam a pressão normalmente para cerca de p = 1-2 MPa. Geralmente, existem quatro bombas de condensado centrífugas com capacidade de um terço com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Normalmente, três bombas estão em operação e uma no backup.

Parâmetros do Condensador Principal

O condensador deve manter um baixo vácuo suficiente para aumentar a eficiência da usina. As bombas de vácuo mantêm um vácuo suficiente no condensador, extraindo ar e gases não condensados. A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se originam do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento no sistema de refrigeração. Além disso, há uma ineficiência de projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

• Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
• Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

• temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
• temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

Para manter os parâmetros no interior do condensador (0,008 MPa e 41,5 ° C), a água  de resfriamento do sistema de resfriamento deve estar suficientemente fria e não pode haver grande diferença de temperatura entre o temperador da água de saída e de entrada, portanto a vazão através do sistema de resfriamento deve ser muito alto. A vazão do sistema de resfriamento (com torres de resfriamento úmidas) pode ser de até 100 000 m3 / h (27,7 m 3 / s). O condensador de ua de entrada pode ter cerca de 22 ° C (fortemente dependendo das condições ambientais), enquanto que a saída do condensador pode ter cerca de 25 ° C . Os sistemas de refrigeração da água do mar operam com vazões mais altas, por exemplo, 130 000 m 3 / h .

Tipos de condensadores de vapor

Os condensadores de vapor são amplamente classificados em dois tipos:

• Condensadores de superfície (ou condensadores do tipo sem mistura). Nos condensadores de superfície, não há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.
• Condensadores a jato (ou condensadores do tipo mistura). Nos condensadores a jato, há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.

Condensador de superfície

O condensador de superfície foi projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de bypass da turbina. Nos condensadores de superfície, não há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento. O vapor exaurido das turbinas de LP é condensado passando sobre tubos contendo água do sistema de resfriamento . O vapor condensa quando entra em contato com a superfície fria dos tubos e devido à transferência de calor para a água de resfriamento por condução e convecção. Esses tubos geralmente são feitos de aço inoxidável, ligas de cobre ou titânio, dependendo de vários critérios de seleção (como condutividade térmica ou resistência à corrosão).  Tubos de condensador de titâniogeralmente são a melhor escolha técnica, porém o titânio é um material muito caro e o uso de tubos de condensador de titânio está associado a custos iniciais muito altos. Em geral, existem dois tipos de condensadores de superfície:

• condensador de superfície resfriado a água
• condensador de superfície resfriado a ar

Em usinas termelétricas, onde a água de resfriamento é escassa, pode ser usado um condensador resfriado a ar. No entanto, um condensador resfriado a ar é significativamente mais caro e não pode atingir uma pressão (e temperatura) de exaustão de turbina a vapor tão baixa quanto um condensador de superfície resfriado a água.

A água é aquecida no condensador e descarregada no sistema de resfriamento (por exemplo, torre de resfriamento, rio, mar ou lago de resfriamento). O condensado coletado desses condensadores é reutilizado como água de alimentação na caldeira. Como a água de resfriamento e o vapor não se misturam, o condensado é recuperado e qualquer tipo de água de resfriamento pode ser usado. Em comparação com os condensadores a jato, em condensadores de superfície é possível manter um alto vácuo, portanto, é possível obter maior eficiência térmica. Por outro lado, os condensadores de superfície são volumosos, exigem grande área e altos custos de capital. Mas esses custos de capital podem ser recuperados pela maior eficiência térmica (ou seja, maior), economia no custo de operação.

Assim, esses condensadores são mais adequados para usinas termelétricas modernas. Estes são geralmente usados ​​onde uma grande quantidade de água inferior está disponível e melhor qualidade da água de alimentação deve ser fornecida à caldeira.

Condensador a jato

Nos condensadores a jato, a água de resfriamento é pulverizada no vapor de exaustão e há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento. O processo de condensação é muito rápido e eficiente, mas aqui a água de resfriamento e o vapor condensado são misturados. O condensado não pode ser reutilizado como água de alimentação para as caldeiras. A temperatura do condensado é a mesma da água de resfriamento que sai do condensador. Devido à mistura mais íntima do vapor e do condensador a jato de água de resfriamento, é necessária menos quantidade de água de resfriamento para a condensação do vapor. Em geral, os condensadores a jato requerem menos espaço de construção e são mais simples na construção e menores no custo de capital. Apesar dessas vantagens, os condensadores de jato não são comuns em usinas termelétricas, principalmente devido à perda de condensado .

Parâmetros do condensador principal

O condensador deve manter um vácuo baixo suficiente para aumentar a eficiência da usina. As bombas de vácuo mantêm um vácuo suficiente no condensador, extraindo ar e gases não condensados. A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se originam do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de refrigeração no sistema de refrigeração. Além disso, existe uma ineficiência do projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para a inclusão do condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

• Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
• Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

• temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
• temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

Para manter os parâmetros dentro do condensador (0,008 MPa e 41,5 ° C), a água  de resfriamento do sistema de resfriamento deve estar suficientemente fria e não pode haver grande diferença de temperatura entre o temperador da água de saída e de entrada, portanto, a vazão através do sistema de resfriamento deve ser muito alto. A vazão do sistema de resfriamento (com torres de resfriamento úmidas) pode ser de até 100 000 m3 / h (27,7 m 3 / s). O condensador de ua de entrada pode ter cerca de 22 ° C (fortemente dependendo das condições ambientais), enquanto que a saída do condensador pode ter cerca de 25 ° C . Os sistemas de refrigeração da água do mar operam com vazões mais altas, por exemplo, 130 000 m 3 / h .

Condutividade térmica de fluidos (líquidos e gases)

Na física, um fluido é uma substância que se deforma continuamente (flui) sob uma tensão de cisalhamento aplicada. Os fluidos são um subconjunto das fases da matéria e incluem líquidos , gases , plasmas e, em certa medida, sólidos plásticos. Como o espaçamento intermolecular é muito maior e o movimento das moléculas é mais aleatório no estado fluido do que no estado sólido, o transporte de energia térmica é menos eficaz. A condutividade térmicade gases e líquidos é, portanto, geralmente menor que o dos sólidos. Nos líquidos, a condução térmica é causada por difusão atômica ou molecular. Nos gases, a condução térmica é causada pela difusão de moléculas do nível mais alto de energia para o nível mais baixo.

Condutividade térmica de gases

O efeito da temperatura, pressão e espécies químicas na condutividade térmica de um gás pode ser explicado em termos da teoria cinética dos gases . O ar e outros gases geralmente são bons isolantes, na ausência de convecção. Portanto, muitos materiais isolantes (por exemplo, poliestireno) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala . A alternância entre bolsa de gás e material sólido faz com que o calor seja transferido através de muitas interfaces, causando uma rápida diminuição no coeficiente de transferência de calor.

A condutividade térmica dos gases é diretamente proporcional à densidade do gás, à velocidade molecular média e, especialmente, ao caminho livre médio da molécula. O caminho livre médio também depende do diâmetro da molécula, com moléculas maiores com maior probabilidade de sofrer colisões do que moléculas pequenas, que é a distância média percorrida por um transportador de energia (uma molécula) antes de experimentar uma colisão. Gases leves, como hidrogênio e hélio, normalmente têm alta condutividade térmica . Gases densos como xenônio e diclorodifluorometano têm baixa condutividade térmica.

Em geral, a condutividade térmica dos gases aumenta com o aumento da temperatura.

Condutividade térmica de líquidos

Como foi escrito, em líquidos, a condução térmica é causada por difusão atômica ou molecular, mas os mecanismos físicos para explicar a condutividade térmica de líquidos não são bem compreendidos. Os líquidos tendem a ter melhor condutividade térmica do que os gases, e a capacidade de fluir torna um líquido adequado para remover o excesso de calor dos componentes mecânicos. O calor pode ser removido canalizando o líquido através de um trocador de calor. Os refrigerantes usados ​​em reatores nucleares incluem água ou metais líquidos, como sódio ou chumbo.

A condutividade térmica de líquidos não metálicos geralmente diminui com o aumento da temperatura.

O que é condutividade térmica – Definição

As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica , k (ou λ), medida em W / mK . É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gás); portanto, também é definida para líquidos e gases.

A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, isso também depende da pressão.

O que é condutividade térmica – Definição

A maioria dos materiais é quase homogênea, portanto, geralmente podemos escrever k = k (T) . Definições semelhantes estão associadas a condutividades térmicas nas direções _y e z (k _y , k _z ), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção da transferência, k _x = k _y = k _z = k.

A partir da equação anterior, segue-se que o fluxo de calor de condução aumenta com o aumento da condutividade térmica e aumenta com o aumento da diferença de temperatura. Em geral, a condutividade térmica de um sólido é maior que a de um líquido, que é maior que a de um gás. Essa tendência se deve em grande parte às diferenças no espaçamento intermolecular para os dois estados da matéria. Em particular, o diamante tem a mais alta dureza e condutividade térmica de qualquer material a granel.

Exemplo – Fluxo de calor através de uma janela

Perda de calor através das janelas

Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das janelas. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma janela de vidro com 1,5 mx  1,0 m de área e 3,0 mm de espessura, se as temperaturas nas superfícies interna e externa forem de 14,0 ° C e 13,0 ° C, respectivamente. Calcule o fluxo de calor através desta janela.

Solução:

Neste ponto, conhecemos as temperaturas nas superfícies do material. Essas temperaturas são dadas também pelas condições dentro e fora da casa. Nesse caso, o calor flui por condução através do vidro, da temperatura interna mais alta para a temperatura externa mais baixa. Usamos a equação de condução de calor:

Assumimos que a condutividade térmica de um vidro comum é k = 0,96 W / mK

O fluxo de calor será então:

q = 0,96 [W / mK] x 1 [K] / 3,0 x 10 ^-3  [m] = 320 W / m ²

A perda total de calor através desta janela será:

q _perda  = q. A = 320 x 1,5 x 1,0 = 480W

Densidade do fluxo de calor – Fluxo térmico

A taxa de transferência de calor por unidade de área normal à direção da transferência de calor é chamada fluxo de calor . Às vezes, também é chamado de densidade do fluxo de calor . No SI, suas unidades são watts por metro quadrado (Wm ⁻² ). Tem uma direção e uma magnitude e, portanto, é uma quantidade vetorial. O fluxo médio de calor é expresso como:

onde A é a área de transferência de calor. A unidade de fluxo de calor em unidades inglesas é Btu / h · ft ² . Observe que o fluxo de calor pode variar com o tempo e com a posição na superfície.

Nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Como o combustível nuclear consiste em barras de combustível, o fluxo de calor é definido em unidades de W / cm (fluxo de calor linear local) ou kW / haste (potência por barra de combustível).

Medição de fluxo de calor

A medição do fluxo de calor pode ser realizada de algumas maneiras diferentes.

• Medição com base na diferença de temperatura . Um método geralmente conhecido, mas muitas vezes impraticável, é realizado medindo uma diferença de temperatura em um pedaço de material com condutividade térmica conhecida . Este método pressupõe que a condutividade térmica do material seja bem conhecida. Este método é análogo a uma maneira padrão de medir uma corrente elétrica, onde se mede a queda de tensão em um resistor conhecido.
• Medição baseada no uso do sensor de fluxo de calor . O fluxo de calor pode ser medido diretamente por meio de sensores ou transdutores de fluxo de calor. O tipo mais comum de sensor de fluxo de calor é uma termopilha de temperatura diferencial que opera essencialmente com o mesmo princípio do primeiro método de medição. Um sensor de fluxo de calor deve medir a densidade local do fluxo de calor em uma direção. O resultado é expresso em watts por metro quadrado. Essa medição tem a vantagem de que a condutividade térmica não precisa ser um parâmetro conhecido.

Densidade do fluxo de calor – Fluxo térmico

A taxa de transferência de calor por unidade de área normal à direção da transferência de calor é chamada fluxo de calor . Às vezes, também é chamado de densidade do fluxo de calor . No SI, suas unidades são watts por metro quadrado (Wm ⁻² ). Ele tem uma direção e uma magnitude e, portanto, é uma quantidade vetorial. O fluxo médio de calor é expresso como:

onde A é a área de transferência de calor. A unidade de fluxo de calor em unidades inglesas é Btu / h · ft ² . Observe que o fluxo de calor pode variar com o tempo e com a posição na superfície.

Nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Como o combustível nuclear consiste em barras de combustível, o fluxo de calor é definido em unidades de W / cm (fluxo de calor linear local) ou kW / haste (potência por barra de combustível).

Densidade do fluxo de calor – Fluxo térmico

A taxa de transferência de calor por unidade de área normal à direção da transferência de calor é chamada fluxo de calor . Às vezes, também é chamado de densidade do fluxo de calor . No SI, suas unidades são watts por metro quadrado (Wm ⁻² ). Ele tem uma direção e uma magnitude e, portanto, é uma quantidade vetorial. O fluxo médio de calor é expresso como:

onde A é a área de transferência de calor. A unidade de fluxo de calor em unidades inglesas é Btu / h · ft ² . Observe que o fluxo de calor pode variar com o tempo e com a posição na superfície.

Nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Como o combustível nuclear consiste em barras de combustível, o fluxo de calor é definido em unidades de W / cm (fluxo de calor linear local) ou kW / haste (potência por barra de combustível).

Definição de Calor

Enquanto energia interna se refere à energia total de todas as moléculas dentro do objeto, o calor é a quantidade de energia que flui de um corpo para outro espontaneamente devido à diferença de temperatura. O calor é uma forma de energia, mas é energia em trânsito . O calor não é propriedade de um sistema. No entanto, a transferência de energia como calor ocorre no nível molecular como resultado de uma diferença de temperatura .

Considere um bloco de metal em alta temperatura, que consiste em átomos que oscilam intensamente em torno de suas posições médias. A baixas temperaturas , os átomos continuam a oscilar, mas com menos intensidade . Se um bloco mais quente de metal é colocado em contato com um bloco mais frio, os átomos intensamente oscilantes na borda do bloco mais quente emitem sua energia cinética para os átomos menos oscilantes na borda do bloco mais frio. Nesse caso, há transferência de energia entre esses dois blocos e o calor flui do bloco mais quente para o mais frio por essas vibrações aleatórias.

Introdução à Transferência de Calor

Enquanto energia interna se refere à energia total de todas as moléculas dentro do objeto, o calor é a quantidade de energia que flui de um corpo para outro espontaneamente devido à diferença de temperatura. O calor é uma forma de energia, mas é energia em trânsito . O calor não é propriedade de um sistema. No entanto, a transferência de energia como calor ocorre no nível molecular como resultado de uma diferença de temperatura .

Considere um bloco de metal em alta temperatura, que consiste em átomos que oscilam intensamente em torno de suas posições médias. A baixas temperaturas , os átomos continuam a oscilar, mas com menos intensidade . Se um bloco mais quente de metal é colocado em contato com um bloco mais frio, os átomos intensamente oscilantes na borda do bloco mais quente emitem sua energia cinética para os átomos menos oscilantes na borda do bloco mais frio. Nesse caso, há transferência de energia entre esses dois blocos e o calor flui do bloco mais quente para o mais frio por essas vibrações aleatórias.

Além disso, como no trabalho, é importante distinguir entre o calor adicionado a um sistema do ambiente e o calor removido do sistema para o ambiente. Q é positivo para o calor adicionado ao sistema, portanto, se o calor sai do sistema, Q é negativo. Como W na equação é o trabalho realizado pelo sistema, se o trabalho for realizado no sistema, W será negativo e E _int aumentará.

O símbolo q é algumas vezes usado para indicar o calor adicionado ou removido de um sistema por unidade de massa . É igual ao calor total (Q) adicionado ou removido dividido pela massa (m).

Distinguindo temperatura, calor e energia interna

Usando a teoria cinética, uma distinção clara entre essas três propriedades pode ser feita.

• A temperatura está relacionada às energias cinéticas das moléculas de um material. É a energia cinética média das moléculas individuais.
• Energia interna refere-se à energia total de todas as moléculas dentro do objeto. É uma propriedade extensa , portanto, quando dois lingotes quentes de aço com massa igual podem ter a mesma temperatura, mas dois deles têm o dobro da energia interna que um.
• Finalmente, calor é a quantidade de energia que flui de um corpo para outro espontaneamente devido à diferença de temperatura.

Deve-se adicionar, quando existe uma diferença de temperatura , o calor flui espontaneamente do sistema mais quente para o sistema mais frio . Assim, se um cubo de aço de 5 kg a 100 ° C for colocado em contato com um cubo de aço de 500 kg a 20 ° C, o calor fluirá do cubo a 300 ° C para o cubo a 20 ° C, mesmo que a energia interna do cubo de 20 ° C é muito maior porque há muito mais.

Um conceito particularmente importante é o equilíbrio termodinâmico . Em geral, quando dois objetos são colocados em contato térmico , o calor flui entre eles até que entrem em equilíbrio um com o outro.

Densidade do fluxo de calor – Fluxo térmico

A taxa de transferência de calor por unidade de área normal à direção da transferência de calor é chamada fluxo de calor . Às vezes, também é chamado de densidade do fluxo de calor . No SI, suas unidades são watts por metro quadrado ( Wm ⁻² ). Tem uma direção e uma magnitude e, portanto, é uma quantidade vetorial. O fluxo médio de calor é expresso como:

onde A é a área de transferência de calor. A unidade de fluxo de calor em unidades inglesas é Btu / h · ft ² . Observe que o fluxo de calor pode variar com o tempo e com a posição na superfície.

Nos reatores nucleares, as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator . Como o combustível nuclear consiste em barras de combustível, o fluxo de calor é definido em unidades de W / cm (densidade do fluxo de calor linear local) ou kW / haste (potência por barra de combustível).

Veja também: Densidade do fluxo de calor