Resistência térmica – Resistividade térmica
Na engenharia, outro conceito muito importante é frequentemente usado. Como existe uma analogia entre a difusão do calor e a carga elétrica , os engenheiros costumam usar a resistência térmica (isto é, a resistência térmica contra a condução de calor) para calcular a transferência de calor através dos materiais. A resistência térmica é o inverso da condutância térmica. Assim como uma resistência elétrica está associada à condução de eletricidade, uma resistência térmica pode estar associada à condução de calor.
Considere uma parede plana de espessura L e condutividade térmica média k. As duas superfícies da parede são mantidos a temperaturas constantes de T 1 e T 2 . Para condução de calor constante unidimensional através da parede, temos T (x). Então a lei de Fourier de condução de calor para a parede pode ser expressa como:
Definição de resistência térmica
A resistência térmica é uma propriedade de calor e uma medição de uma diferença de temperatura pela qual um objeto ou material resiste ao fluxo de calor. A resistência térmica para condução em uma parede plana é definida como:
Como o conceito de resistência térmica pode ser usado em uma variedade de ramos de engenharia, definimos:
- Resistência térmica absoluta , R t , que possui unidades de [K / W]. A resistência térmica absoluta é uma propriedade de um componente em particular, que definiu a geometria (espessura – L, área – A e forma). Por exemplo, uma característica de um trocador de calor definido. Apenas uma diferença de temperatura é necessária para resolver o calor transferido.
- Resistência térmica específica ou resistividade térmica específica, R λ , que possui unidades de [(K · m) / W]. Térmica específica é uma constante do material. A espessura do material e uma diferença de temperatura são necessárias para resolver o calor transferido.
- R-valor . O valor R (fator de isolamento térmico) é uma medida de resistência térmica. Quanto maior o valor R, maior a eficácia do isolamento. A isolação térmica possui as unidades [(m 2 .K) / W] em unidades SI ou [(pés 2 ° F · h) / Btu] em unidades imperiais. É a resistência térmica da área unitária de um material. O valor R depende do tipo de isolamento, sua espessura e densidade. É necessária uma diferença de área e temperatura para resolver o calor transferido.
Analogia à Resistência Elétrica
A equação acima para fluxo de calor é análoga à relação para fluxo de corrente elétrica I , expressa como:
onde R e = L / σ e A é a resistência elétrica e V 1 – V 2 é a diferença de tensão através da resistência (σ e é a condutividade elétrica). A analogia entre as duas equações é óbvia. A taxa de transferência de calor através de uma camada corresponde à corrente elétrica, a resistência térmica corresponde à resistência elétrica e a diferença de temperatura corresponde à diferença de tensão na camada. A diferença de temperatura é a função potencial ou motriz do fluxo de calor, resultando na equação de Fourier sendo escrita de forma semelhante à Lei de Ohm da Teoria dos Circuitos Elétricos.
As representações de circuito fornecem uma ferramenta útil para conceituar e quantificar problemas de transferência de calor. Essa analogia pode ser usada também para a resistência térmica da superfície contra a convecção de calor. Observe que quando o coeficiente de transferência de calor por convecção é muito grande (h → infinito), a resistência à convecção se torna zero e a temperatura da superfície se aproxima da temperatura do volume. Esta situação é abordada na prática em superfícies onde ocorre intensa fervura e condensação.
A transferência de calor através da parede composta pode ser calculada a partir dessas resistências. 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.
O circuito térmico equivalente para a parede plana com condições de superfície de convecção é mostrado na figura.
Resistência de contato térmico – Condutância de contato térmico
Na engenharia térmica, a condutância de contato térmico [W / m 2 .K] ou resistência de contato térmico [m 2 .K / W] representa a condução de calor entre dois corpos sólidos. Quando os componentes são aparafusados ou pressionados de outra forma, também é necessário um conhecimento do desempenho térmico de tais juntas. Nestes sistemas compostos, a queda de temperatura na interface entre os materiais pode ser apreciável. Essa queda de temperatura é caracterizada pelo coeficiente de condutância de contato térmico , h c, que é uma propriedade que indica a condutividade térmica ou a capacidade de conduzir calor entre dois corpos em contato. Embora existam bancos de dados extensivos sobre as propriedades térmicas de materiais a granel, bancos de dados semelhantes para contatos pressionados não existem.
O inverso dessa propriedade é denominado resistência de contato térmico .
A resistência do contato depende, em grande parte, da rugosidade da superfície . A pressão que mantém as duas superfícies juntas também influencia a resistência do contato. Observa-se que a resistência ao contato térmico diminui com a diminuição da rugosidade da superfície e o aumento da pressão da interface. Isso é atribuído ao fato de que a superfície de contato entre os corpos cresce à medida que a pressão de contato aumenta. Quando duas dessas superfícies são pressionadas uma contra a outra, os picos formarão um bom contato com o material, mas os vales formarão vazios cheios de ar. Esses vazios cheios de ar atuam como isolamento por causa da baixa condutividade térmica do ar. O número e tamanho limitados dos pontos de contato resultam em uma área de contato real significativamente menor que a área de contato aparente. No caso de material compósito metálico, que é colocado no vácuo, a condução térmica através dos pontos de contato é o principal modo de transferência de calor, e a resistência de contato é geralmente maior do que quando o material compósito está na presença de ar ou outro fluido. Além disso, a resistência ao contato térmico é significativa e pode ser dominante para bons condutores de calor, como metais, mas pode ser negligenciada para condutores de calor ruins, como isoladores.
Por exemplo:
- A condutância de contato térmico para chapas de alumínio com uma rugosidade superficial de 10 μm colocada no ar com a pressão de interface de 1 atm é h c = 3640 W / m 2 .K
- A condutância de contato térmico para placas de alumínio com uma rugosidade superficial de 10 μm colocada em hélio com a pressão de interface de 1 atm é h c = 9520 W / m 2 .K
- A condutância de contato térmico para chapas de aço inoxidável com uma rugosidade superficial de 2,5 μm colocada no ar com a pressão de interface de 1 MPa é de cerca de h c = 3000 W / m 2 .K
A resistência de contato térmico pode ser minimizada aplicando um líquido condutor térmico chamado graxa térmica , como graxa de CPU, nas superfícies antes de serem pressionadas uma contra a outra. O papel principal da graxa térmica é eliminar os espaços ou espaços de ar (que atuam como isolantes térmicos) da área da interface, a fim de maximizar a transferência de calor. A condutividade térmica do material intersticial e sua pressão são as duas propriedades que governam sua influência na condutância de contato.
Referência especial: Madhusudana, Chakravarti V., Condutância de contato térmico. Springer International Publishing, 2014. ISBN: 978-3-319-01276-6.
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