Isolamento térmico
O isolamento térmico é o processo de redução da transferência de calor entre os objetos em contato térmico ou na faixa de influência radiativa. Os isolamentos térmicos consistem em materiais de baixa condutividade térmica combinados para obter uma condutividade térmica do sistema ainda mais baixa . O isolamento térmico pode ser alcançado com métodos ou processos especialmente projetados, bem como com formas e materiais de objetos adequados.
Veja também: Condutividade térmica
Do ponto de vista microscópico, o transporte de energia térmica em sólidos pode geralmente ser devido a dois efeitos:
- a migração de elétrons livres
- ondas vibracionais em treliça ( fônons )
Quando elétrons e fônons transportam energia térmica, levando à transferência de calor por condução em um sólido, a condutividade térmica pode ser expressa como:
k = k e + k ph
Os metais em geral têm alta condutividade elétrica e alta condutividade térmica . Essas propriedades se originam especialmente do fato de seus elétrons externos (elétrons livres) serem deslocalizados . Sua contribuição para a condutividade térmica é muito alta e é chamada de condutividade térmica eletrônica, k e . Como resultado, os metais são muito bons condutores térmicos em vez de isoladores térmicos.
Para sólidos não metálicos , k é determinado principalmente por k ph , que aumenta à medida que a frequência de interações entre os átomos e a rede diminui. De fato, a condução térmica em rede é o mecanismo dominante de condução térmica em não-metais, se não o único. Nos sólidos, os átomos vibram sobre suas posições de equilíbrio (estrutura cristalina). As vibrações dos átomos não são independentes uma da outra, mas são fortemente acopladas aos átomos vizinhos. A regularidade do arranjo de treliça tem um efeito importante no k ph , com materiais cristalinos (bem ordenados), como o quartzo, com uma condutividade térmica mais alta que os materiais amorfos, como o vidro.
É preciso acrescentar que o isolamento térmico se baseia principalmente na condutividade térmica muito baixa dos gases . Os gases possuem más propriedades de condução térmica em comparação com líquidos e sólidos e, portanto, são um bom material para isolamento se puderem ser presos (por exemplo, em uma estrutura semelhante a espuma ). Ar e outros gases geralmente são bons isolantes. Mas o principal benefício é 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.
Deve-se notar que as perdas de calor de objetos mais quentes ocorrem por três mecanismos (individualmente ou em combinação):
Até agora, não discutimos a radiação térmica como um modo de perda de calor . A transferência de calor por radiação é mediada por radiação eletromagnética e, portanto, não requer nenhum meio para a transferência de calor. De fato, a transferência de energia pela radiação é mais rápida (na velocidade da luz) e não sofre atenuação no vácuo. Qualquer material que tem uma temperatura acima do zero absoluto emite alguma energia radiante . A maior parte dessa energia está na região infravermelha do espectro eletromagnético, embora parte dela esteja na região visível. Para diminuir esse tipo de transferência de calor, materiais com baixa emissividade devem ser usados. oA emissividade , ε , da superfície de um material é sua eficácia na emissão de energia como radiação térmica e varia entre 0,0 e 1,0. Em geral, os metais polidos têm emissividade muito baixa e, portanto, são amplamente utilizados para refletir a energia radiante de volta à sua fonte, como no caso de mantas de primeiros socorros .
Isolante térmico
Como foi escrito, o isolamento térmico é baseado no uso de substâncias com condutividade térmica muito baixa . Estes materiais são conhecidos como isoladores térmicos . Os isoladores térmicos comuns são lã, fibra de vidro, lã de rocha, poliestireno, poliuretano e plumas de ganso etc. Esses materiais são condutores muito fracos de calor e, portanto, são bons isolantes térmicos.
É preciso acrescentar que o isolamento térmico se baseia principalmente na condutividade térmica muito baixa dos gases. Os gases possuem más propriedades de condução térmica em comparação com líquidos e sólidos e, portanto, são um bom material para isolamento se puderem ser presos (por exemplo, em uma estrutura semelhante a espuma ). Ar e outros gases geralmente são bons isolantes. Mas o principal benefício é na ausência de convecção . Portanto, muitos materiais isolantes (por exemplo, poliestireno) funcionam simplesmente tendo um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala . Em todos os tipos de isolamento térmico, a evacuação do ar no espaço vazio reduzirá ainda mais a condutividade térmica geral do isolador.
A alternância de 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.
No caso de isolamento térmico por radiação , podem ser utilizados isolamentos refletivos. Os isolamentos refletivos geralmente são compostos de folhas paralelas multicamadas de alta refletividade, espaçadas para refletir a radiação térmica de volta à sua fonte.
Exemplo – Perda de calor através de uma parede
Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das paredes. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede com 3 mx 10 m de área (A = 30 m 2 ). A parede tem 15 cm de espessura (L 1 ) e é feita de tijolos com condutividade térmica de k 1 = 1,0 W / mK (isolador térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa sejam 22 ° C e -8 ° C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h 1 = 10 W / m 2 K e h 2 = 30 W / m 2K, respectivamente. Observe que esses coeficientes de convecção dependem muito das condições ambientais e interiores (vento, umidade etc.).
- Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
- Agora assuma o isolamento térmico no lado externo desta parede. Use isolamento de poliestireno expandido com 10 cm de espessura (L 2 ) com a condutividade térmica de k 2 = 0,03 W / mK e calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através dessa parede composta.
Solução:
Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção . Com estes sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor , conhecido como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton :
O coeficiente geral de transferência de calor está relacionado à resistência térmica total e depende da geometria do problema.
- parede nua
Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:
O coeficiente geral de transferência de calor é então:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K
O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:
q = 3,53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105,9 W / m 2
A perda total de calor através desta parede será:
q perda = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177W
- parede compósita com isolamento térmico
Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede composta plana, sem resistência ao contato térmico e sem considerar a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:
O coeficiente geral de transferência de calor é então:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K
O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:
q = 0,276 [W / m 2 K] x 30 [K] = 8,28 W / m 2
A perda total de calor através desta parede será:
q perda = q. A = 8,28 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 248 W
Como pode ser visto, uma adição de isolador térmico causa uma diminuição significativa nas perdas de calor. Deve ser adicionado, uma adição da próxima camada de isolador térmico não causa economias tão altas. Isso pode ser visto melhor no método de resistência térmica, que pode ser usado para calcular a transferência de calor através de paredes compostas . A taxa de transferência constante de calor entre duas superfícies é igual à diferença de temperatura dividida pela resistência térmica total entre essas duas superfícies.
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