Transferência de Calor Impulsionada por Diferenças de Temperatura: Aplicações e Distinções em Termodinâmica de Engenharia e Transferência de Calor

Nos inúmeros mundos em que vivemos, ocorrem constantemente vários processos, sendo que um dos processos físicos mais intimamente relacionados com a sobrevivência humana é a transferência de energia térmica. Desde o ar condicionado central dos edifícios modernos até à formação de fenómenos meteorológicos naturais como a geada, a chuva e a neve, desde os desafios de proteção térmica das naves espaciais que reentram na atmosfera até ao arrefecimento eficaz dos dispositivos electrónicos, desde as mudanças sazonais no vestuário das pessoas até ao armazenamento congelado de alimentos humanos, todos estão intimamente relacionados com o processo de transferência de calor.

Os estudos de transferência de calor são uma disciplina que investiga as leis da transferência de calor ou energia causada por diferenças de temperatura. A Segunda Lei da Termodinâmica afirma: sempre que existe uma diferença de temperatura, o calor transfere-se naturalmente de um objeto de temperatura mais elevada para um objeto de temperatura mais baixa. Este calor transferido é frequentemente designado por energia térmica.

As diferenças de temperatura existem em toda a parte na natureza e em vários domínios da tecnologia de produção, tornando a transferência de calor um fenómeno físico muito comum. Por exemplo, os ventos na natureza são provocados por diferenças de temperatura entre dois locais, fazendo com que o ar flua de uma zona de temperatura mais elevada para uma zona de temperatura mais baixa, sendo ainda influenciado pela rotação da Terra para formar o vento. As correntes oceânicas e os tufões também são causados por diferenças de temperatura que levam ao movimento da água ou do ar. Na produção industrial, a utilização de tubos de aquecimento em fibra de carbono para aquecer produtos implica também a transferência de calor dos tubos de aquecimento para o material aquecido, o que constitui outro processo de transferência de calor.

As chamadas leis da transferência de calor relacionam principalmente a quantidade de calor transferida por unidade de tempo com a diferença de temperatura correspondente dentro de um objeto. A relação de primeiro nível que reflecte esta lei torna-se a equação da taxa de transferência de calor. Em artigos subsequentes, discutirei as equações de taxa dos três modos básicos de transferência de calor sob certas condições simplificadas. Um nível mais profundo de estudo é encontrar a distribuição de temperatura em vários pontos de um objeto sob diferentes condições.

Os estudos de transferência de calor e a termodinâmica de engenharia são ambas disciplinas relacionadas com os fenómenos térmicos. No sector do ensino da engenharia na China, estas duas disciplinas são coletivamente designadas por disciplinas de engenharia térmica. A diferença fundamental entre estes dois domínios da ciência pode ser explicada da seguinte forma: A termodinâmica de engenharia estuda sistemas em equilíbrio, onde não existem diferenças de temperatura ou de pressão, enquanto a transferência de calor estuda precisamente o oposto, as leis da transferência de calor que envolvem diferenças de temperatura. Por exemplo, considere-se o processo de arrefecimento de um lingote de aço de 1000°C num banho de óleo para 100°C. A termodinâmica estuda o calor perdido por quilograma de lingote de aço durante este processo de arrefecimento e o calor absorvido pelo banho de óleo, mas a termodinâmica não nos pode dizer quanto tempo é necessário para que este sistema de temperatura atinja o equilíbrio. Este tempo depende da temperatura do banho de óleo, do movimento do óleo, das propriedades físicas do óleo, etc., que são exatamente o que a transferência de calor estuda.

Além disso, devido à diferença fundamental acima mencionada, existe uma distinção entre os parâmetros físicos utilizados na termodinâmica e na transferência de calor: na termodinâmica, as quantidades físicas não incluem o tempo, enquanto na transferência de calor, as principais quantidades físicas são denominadas no tempo, ou seja, a transferência de calor está mais preocupada com a quantidade de energia térmica que pode ser transferida por unidade de tempo. Por outro lado, os estudos de transferência de calor estão intimamente relacionados com a engenharia termodinâmica: a análise de qualquer processo de transferência de calor deve utilizar a Primeira Lei da Termodinâmica, ou seja, a lei da conservação da energia. A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser aplicada tanto em sistemas fechados como abertos, tendo cada tipo de sistema estados estacionários e não estacionários. Do ponto de vista da transferência de calor, um processo chamado de estado estacionário é aquele em que a temperatura em cada ponto do sistema não se altera ao longo do tempo, enquanto que num processo de estado instável, as temperaturas em cada ponto se alteram ao longo do tempo.

Em futuras discussões sobre condução de calor em sólidos, utilizaremos a Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas fechados, enquanto o estudo da transferência de calor por convecção requer a utilização de sistemas abertos. Além disso, quando a energia térmica se transfere de um meio para outro, o princípio da conservação da energia deve também ser aplicado na interface entre os dois meios, como no caso do processo de arrefecimento de um lingote de aço num banho de óleo, na interface entre o sólido e o líquido, quer o processo de transferência de calor seja estável ou instável, consideramos que o calor transferido do sólido para o líquido e o calor absorvido pelo líquido a partir do sólido são iguais num dado momento. Os conceitos de balanço energético e balanço térmico mencionados na física do ensino secundário são, na realidade, termos simples para a Primeira Lei da Termodinâmica.

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