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Transferência de calor · passo a passo

Entenda o calor.
Depois, faça a conta.

Veja o que acontece, mude uma condição e acompanhe o resultado. Comece pelo exemplo resolvido ou escolha um dos oito fenômenos abaixo.

Começar pelo exemploEscolher um fenômeno ↓
O calor vai do fluido quente para o frioNo exemplo da parede, a temperatura cai de 100 para 68, depois 36 e 20 graus Celsius. A taxa de calor é 640 watts. 100 °C68 °C36 °C20 °Cq = 640 W
Quente → parede → frio. A linha azul mostra a temperatura nas interfaces do exemplo; o desenho não está em escala.

Como usar este guia

  1. 01

    Observe e faça uma previsão

    Antes de calcular, diga o que espera que aumente ou diminua.

  2. 02

    Mude uma coisa de cada vez

    Altere uma temperatura, dimensão ou velocidade. Mantenha os outros dados.

  3. 03

    Confira e explique

    Compare os resultados e use as fórmulas para explicar a diferença.

Primeiro exemplo · recomendado para começar

Uma parede entre dois fluidos

Imagine um fluido quente de um lado e um frio do outro. O calor atravessa a parede, mas encontra resistência em três partes do caminho.

Os dados do problema

Temperaturas dos fluidos
100 °C e 20 °C
Espessura da parede · L
0,10 m
Área de troca · A
2 m²
Condutividade da parede · k
1 W/(m·K)
Convecção em cada lado · h
10 e 20 W/(m²·K)

Pense antes de calcularSe a parede ficar mais espessa, vai passar mais ou menos calor?

A conta em três passos

  1. Calcule as resistências

    Na parede, use L/(k·A). Nos contatos com os fluidos, use 1/(h·A).

    Resistência de cada parte
    Parte do caminhoR (K/W)
    Contato com o fluido quente0,050
    Parede0,050
    Contato com o fluido frio0,025

  2. Some o que está em série

    Rtotal = 0,050 + 0,050 + 0,025
    Rtotal = 0,125 K/W

  3. Use a diferença de temperatura

    q = (100 − 20) / 0,125
    q = 640 W

    Isso corresponde a 640 joules de energia transferidos por segundo neste caso.

Agora, experimente

Abra o caso pronto e dobre apenas a espessura. A resistência da parede aumenta e a taxa de calor diminui. Confira por que a resistência total não dobra.

Experimentar esta parede →

Continue pelo assunto que você quer entender

Escolha um dos oito fenômenos

Cada roteiro tem uma pergunta, um caminho para investigar e um desafio. Os links abrem as calculadoras do laboratório.

Roteiro 01 · Circuito térmico

Por onde o calor passa?

Objetivo do roteiroRelacionar diferença de temperatura, resistência e taxa de calor.

Antes de abrir, penseSe a espessura de uma parede dobrar, o calor transferido aumenta ou diminui?

O que fazer na calculadora

  1. Desenhe o caminho do calor e identifique as temperaturas de contorno.
  2. Calcule cada resistência: L/(kA) no sólido e 1/(hA) na interface convectiva.
  3. Some resistências em série; em paralelo, some as condutâncias.
  4. Use q = ΔT/R_total e confira cada queda ΔT_i = q·R_i.

Teste sua compreensãoNo exemplo guiado, dobre apenas a espessura do sólido. Explique por que a resistência total não dobra.

Ajuda saber: Diferença de temperatura e operações com unidades.

Limites deste modelo: Regime permanente, modelo 1D e propriedades constantes no exemplo.

Abrir circuito térmico

Roteiro 02 · Aletas

O que uma aleta melhora?

Objetivo do roteiroDistinguir calor transferido, eficiência e efetividade.

Antes de abrir, penseUma aleta mais longa sempre aumenta proporcionalmente o calor transferido?

O que fazer na calculadora

  1. Escolha a geometria e reconheça suas dimensões.
  2. Informe material, h e temperaturas; identifique a condição de ponta.
  3. Acompanhe m, eficiência, calor e efetividade nos resultados.
  4. Compare a curva e a tabela com as temperaturas de contorno.

Teste sua compreensãoCompare dois comprimentos, mantendo material e demais dados. Explique a diferença entre eficiência e calor total.

Ajuda saber: Condução, convecção e áreas de seção/superfície.

Limites deste modelo: Condições de ponta e aproximações dependem da geometria; não extrapole um perfil para outra.

Abrir aletas

Roteiro 03 · Convecção natural

Convecção sem ventilador

Objetivo do roteiroCompreender empuxo térmico, orientação e escolha da correlação.

Antes de abrir, penseUma face quente voltada para cima transfere calor como a mesma face voltada para baixo?

O que fazer na calculadora

  1. Escolha geometria e orientação.
  2. Informe temperaturas e comprimento característico.
  3. Acompanhe propriedades, Ra, Nu e h; leia os avisos de validade.
  4. Separe o resultado teórico de qualquer comparação experimental.

Teste sua compreensãoTroque somente a orientação da placa e justifique o efeito físico.

Ajuda saber: Temperatura de filme e propriedades do fluido.

Limites deste modelo: Sem medição experimental válida não existe h experimental; CSV não transforma hipótese em medição.

Abrir convecção natural

Roteiro 04 · Convecção forçada

O efeito da velocidade do fluido

Objetivo do roteiroConectar velocidade, Reynolds, regime e coeficiente convectivo.

Antes de abrir, penseDobrar a velocidade implica necessariamente dobrar h?

O que fazer na calculadora

  1. Identifique placa ou cilindro e a direção do escoamento.
  2. Informe fluido, temperaturas, velocidade e dimensão.
  3. Relacione Re à correlação usada e confira seu domínio.
  4. Compare Nu e h antes e depois da alteração.

Teste sua compreensãoDobre a velocidade sem alterar a geometria. Compare os resultados e confira se o regime mudou.

Ajuda saber: Velocidade, viscosidade e comprimento característico.

Limites deste modelo: Fluidos e correlações têm faixas próprias de temperatura, Reynolds e Prandtl.

Abrir convecção forçada

Roteiro 05 · Condensação

Do vapor ao filme líquido

Objetivo do roteiroReconhecer o filme condensado e sua resistência térmica.

Antes de abrir, penseO que acontece com o filme ao longo de uma placa vertical?

O que fazer na calculadora

  1. Escolha placa vertical ou tubo horizontal.
  2. Use água e informe saturação, parede e dimensão.
  3. Leia a correlação e as propriedades utilizadas.
  4. Interprete h junto às hipóteses do filme laminar.

Teste sua compreensãoCompare duas dimensões na mesma geometria; explique por que a correlação depende dela.

Ajuda saber: Saturação e calor latente.

Limites deste modelo: Não representa todos os refrigerantes nem condensação em qualquer regime.

Abrir condensação

Roteiro 06 · Ebulição

Por que a superfície importa?

Objetivo do roteiroEntender superaquecimento e influência da combinação fluido/superfície.

Antes de abrir, penseDuas superfícies à mesma temperatura produzem o mesmo fluxo de ebulição?

O que fazer na calculadora

  1. Escolha ebulição nucleada e uma superfície disponível.
  2. Informe água e temperaturas dentro do domínio.
  3. Observe a constante da combinação e o superaquecimento.
  4. Interprete fluxo e coeficiente sem extrapolar o regime.

Teste sua compreensãoCompare superfícies mantendo o restante constante e explique a sensibilidade.

Ajuda saber: Temperatura de saturação e mudança de fase.

Limites deste modelo: Ebulição em filme está indisponível; este modelo não comprova segurança de equipamentos.

Abrir ebulição

Roteiro 07 · Arranjos de tubos

O fluido entre os tubos

Objetivo do roteiroDistinguir velocidade de aproximação e velocidade máxima entre tubos.

Antes de abrir, penseAproximar os tubos mantém a mesma velocidade entre eles?

O que fazer na calculadora

  1. Escolha arranjo em linha ou alternado.
  2. Confira diâmetro, passos e número de fileiras.
  3. Relacione a passagem livre com a velocidade máxima e Re.
  4. Acompanhe Nu, correção por fileiras e h.

Teste sua compreensãoAltere um passo mantendo diâmetro e velocidade de entrada; explique a mudança.

Ajuda saber: Área livre de escoamento e Reynolds.

Limites deste modelo: Passos devem permitir área livre; a correlação só vale no domínio declarado.

Abrir arranjos de tubos

Roteiro 08 · Escoamento interno

Aquecendo um fluido dentro de um duto

Objetivo do roteiroRelacionar geometria, diâmetro hidráulico, regime e condição térmica.

Antes de abrir, penseParede a temperatura constante e fluxo constante são o mesmo problema?

O que fazer na calculadora

  1. Escolha a seção e o tipo de problema.
  2. Informe apenas dados compatíveis com a condição escolhida.
  3. Acompanhe Dh, Re, Pr e Nu; confira desenvolvimento e transição.
  4. Compare temperaturas e explique a avaliação das propriedades.

Teste sua compreensãoCompare condições térmicas mantendo uma geometria; registre o que mudou no modelo.

Ajuda saber: Vazão, velocidade e balanço de energia.

Limites deste modelo: Diâmetro hidráulico não autoriza usar qualquer correlação circular sem verificar suas hipóteses.

Abrir escoamento interno

Os símbolos que você vai encontrar

q · W
Taxa de calor: energia transferida por segundo.
R · K/W
Resistência térmica: dificuldade para o calor atravessar uma parte do caminho.
k · W/(m·K)
Condutividade: propriedade do material que participa da condução.
h · W/(m²·K)
Coeficiente de convecção: relaciona a troca com o fluido à área e à diferença de temperatura.

As setas e partículas ajudam a interpretar o fenômeno. Não representam uma simulação do tempo real de aquecimento. Confira sempre as hipóteses e as faixas de validade da calculadora.