Perdas de calor
Enquanto energia térmica 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 . Quando existe uma diferença de temperatura , o calor flui espontaneamente do sistema mais quente para o sistema mais frio , nunca o contrário. Essa direção dos processos termodinâmicos é dada pelasegunda lei da termodinâmica .
Como resultado, qualquer objeto mais quente que o ambiente deve perder continuamente parte de sua energia térmica. Este é um comportamento natural de todos os objetos. Quando o fluxo de calor pára , é dito que eles estão na mesma temperatura . Dizem que eles estão em equilíbrio térmico . As perdas de calor de objetos mais quentes ocorrem por três mecanismos (individualmente ou em combinação):
- Condução de calor . A condução de calor, também chamada difusão, ocorre dentro de um corpo ou entre dois corpos em contato. É a troca microscópica direta de energia cinética de partículas através da fronteira entre dois sistemas. Quando um objeto está a uma temperatura diferente de outro corpo ou de seus arredores
- Convecção por Calor . A convecção de calor depende do movimento de massa de uma região do espaço para outra. A convecção de calor ocorre quando o fluxo a granel de um fluido (gás ou líquido) transporta calor junto com o fluxo de matéria no fluido.
- Radiação térmica . A radiação é a transferência de calor por radiação eletromagnética, como a luz do sol, sem a necessidade de que a matéria esteja presente no espaço entre os corpos.
Perdas de calor – vestuário
O objetivo da roupa é semelhante. As propriedades isolantes da roupa provêm das propriedades isolantes do ar . 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 . Sem roupas, nossos corpos no ar parado aqueciam o ar em contato direto com a pele e logo se tornavam razoavelmente confortáveis porque o ar é um isolante muito bom. Deve ser adicionado, também neste caso o ar estará fluindo devido à convecção natural . Em convecção natural, o ar ao redor de um corpo recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do ar desempenha um papel crucial. Em outras palavras, componentes mais pesados (mais densos) cairão, enquanto componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento do ar a granel.
No vento, o ar quente ao redor do nosso corpo seria substituído pelo ar frio, aumentando assim a diferença de temperatura e a perda de calor do corpo. As roupas constituem uma barreira para esse ar em movimento. O principal benefício é na ausência de convecção em larga escala. Além disso, as roupas são feitas de materiais, que geralmente são bons isolantes. Muitos materiais isolantes (por exemplo, lã) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás, o que diminui significativamente a condutividade térmica do material. 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.
Perdas de Calor – Isolamento Térmico
Para minimizar as perdas de calor na indústria e também na construção de edifícios, o isolamento térmico é amplamente utilizado. O objetivo do isolamento térmico é reduzir o coeficiente geral de transferência de calor adicionando material com baixa condutividade térmica . O isolamento térmico em edifícios é um fator importante para obter conforto térmico para seus ocupantes. O isolamento térmico reduz a perda de calor indesejada e também reduz o ganho de calor indesejado . Portanto, o isolamento térmico pode diminuir as demandas de energia dos sistemas de aquecimento e refrigeração. Deve ser adicionado, não há material que possa impedir completamente as perdas de calor, as perdas de calor só podem ser minimizadas.
Da mesma forma que no vestuário, o isolamento térmico é baseado em materiais de baixa condutividade térmica e em sua geometria (por exemplo, janelas de painel duplo). As propriedades isolantes desses materiais são provenientes das propriedades isolantes do ar. Muitos materiais isolantes (por exemplo, lã de vidro) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que evitam a convecção em grande escala . A geometria desses materiais também desempenha papel crucial. Por exemplo, aumentar a largura da camada de ar, como usar dois painéis de vidro separados por um espaço de ar, reduzirá a perda de calor mais do que simplesmente aumentar a espessura do vidro, uma vez que a condutividade térmica do ar é muito menor que a do vidro .
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.
Exemplo – Perda 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
Deve ser adicionado, 15 ° C não é muito quente para a sala de uma casa. Mas esta temperatura não corresponde à temperatura interior, mas corresponde à temperatura da superfície. Devido ao coeficiente de transferência de calor por convecção finita, sempre há uma queda considerável de temperatura entre a temperatura interna e a temperatura da superfície da janela. Observe que os dois coeficientes de convecção dependem fortemente, especialmente das condições ambientais e interiores (vento, umidade, etc.).
Vide também: Coeficiente de transferência de calor por convecção
Da mesma forma que no vestuário, o isolamento térmico é baseado em materiais de baixa condutividade térmica e em sua geometria (por exemplo, janelas de painel duplo). As propriedades isolantes desses materiais são provenientes das propriedades isolantes do ar. Muitos materiais isolantes (por exemplo, lã) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala . A geometria desses materiais também desempenha papel crucial. Por exemplo, aumentar a largura da camada de ar, como usar dois painéis de vidro separados por um espaço de ar, reduzirá a perda de calor mais do que simplesmente aumentar a espessura do vidro, uma vez que a condutividade térmica do ar é muito menor que a do vidro .
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