Questões de Concurso sobre Transferência de Calor (Condução, Convecção e Radiação)

O termo advecção é usado para fazer referência ao transporte de energia cumulativo de um fluido na presença de um gradiente de temperatura, enquanto o termo convecção é usado para fazer referência ao transporte de energia devido ao movimento global do fluido.

Uma parede é composta de argamassa, bloco cerâmico e argamassa. As resistências térmicas destas camadas são 0,025 m²·K/W, 0,2 m²·K/W e 0,025 m²·K/W, respectivamente; e a soma das resistências térmicas superficiais, externa e interna, é de 0,15 m²·K/W. Pode-se afirmar para esta parede que:

Na condução de calor, o fluxo térmico na direção de transferência é igual ao produto do gradiente de temperatura nessa mesma direção pela condutividade térmica; o sinal negativo no produto é uma consequência do fato de o calor ser transferido na direção da temperatura decrescente.

Em trocadores de calor, o valor da resistência térmica por fator de deposição/incrustração depende da temperatura de operação, da velocidade do fluido e do tempo de serviço do trocador de calor.

Um levantamento dos ganhos de calor no interior de um ambiente construído determinou ganhos simultâneos de 2,4 kW de calor sensível e 1,6 kW de calor latente devido às pessoas, 2 kW de calor sensível devido aos equipamentos elétricos, 1 kW de calor sensível devido à iluminação artificial e 3 kW de calor sensível devido à envoltória da edificação no instante de pico. Com base neste levantamento, é correto afirmar que:

No que se refere à condução de calor unidimensional e não transiente em sólidos com propriedades térmicas constantes, assinale a opção correta.

A figura precedente mostra, esquematicamente, o sistema de refrigeração de um supercomputador, cuja finalidade é resfriar os circuitos eletrônicos, os quais estão imersos em um fluido dielétrico especial. Esse fluido é bombeado em circuito fechado através do computador, de um trocador de calor do tipo casco e de tubos. Durante a operação normal, o calor gerado dentro do computador é transferido ao fluido dielétrico, que, ao passar pelo trocador de calor, o transfere para a água fria, que circula pelos tubos do trocador. Os parâmetros do sistema são os seguintes:

Fluido dielétrico:

– taxa de fluxo: ${\dot{m}}_f$ = 4,0 kg/s

– calor específico: $C_{pf}$ = 1300 J/kg.K;

– temperatura de entrada no trocador de calor: $T_{fe}$ = 25 °C

– temperatura de saída no trocador de calor: $T_{fs}$ = 15 °C

Água fria:

– taxa de fluxo:${\dot{m}}_A$ = 2,5 kg/s

– temperatura de entrada no trocador de calor: $T_{Ae}$ = 7 °C;

– calor específico da água fria: $C_{pA}$ = 4160 J/kg.K

Considerando os dados apresentados, é possível afirmar que a taxa de transferência de calor $\dot{Q}$ e a temperatura de saída da água fria $T_{As}$ no trocador de calor serão iguais, respectivamente, a

Na fase de carregamento de uma bateria, a intensidade da corrente elétrica é de 25 A, enquanto a tensão é mantida em 13 V. Durante esse processo, a taxa de transferência de calor da bateria é de 15 W. Assinale a alternativa correta correspondente à taxa de variação de energia interna da bateria.

A figura a seguir ilustra os escoamentos que ocorrem em um trocador de calor.

Fonte: Incropera et al, “Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa”, pg. 425

Esse trocador de calor é do tipo

Diferentes aplicações de transferência de calor requerem tipos de dispositivos e configurações de equipamentos de transferência de calor. O tipo mais simples de trocador de calor é constituído por dois tubos concêntricos de diferentes diâmetros, chamado trocador de tubo duplo. Um fluido no trocador de calor de tubo duplo escoa através do tubo menor, enquanto o outro escoa através do espaço anular entre os dois tubos. Dois tipos de arranjo de escoamento são possíveis no trocador de calor de tubo duplo: o escoamento paralelo e o escoamento contracorrente.

Avalie as afirmativas que descrevem as características do trocador de calor de tubo duplo com escoamento contracorrente:

I. Os fluidos quente e frio entram no trocador de calor em extremos opostos e escoam em direção opostas.

II. A temperatura de saída do fluido frio pode exceder a temperatura de saída do fluido quente.

III. Em caso limite, o fluido frio será aquecido até a temperatura de entrada do fluido quente.

IV. A temperatura de saída do fluido frio pode exceder a temperatura de entrada do fluido quente.

Assinale a alternativa que descrevem características VERDADEIRAS do trocador de calor de tubo duplo com escoamento contracorrente:

“Em regime estacionário, o fluxo de calor por condução num material homogêneo é diretamente proporcional à área da seção transversal atravessada pelo calor e à diferença de temperatura entre os extremos, e inversamente proporcional à espessura da camada considerada.” (Ramalho Junior, 2009, p.129)

O enunciado acima diz respeito à:

Condução é a transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para partículas vizinhas adjacentes menos energéticas, como resultado da interação entre elas. A condução pode ocorrer em sólidos, líquidos ou gases e a sua taxa de transferência de calor é definida pela equação da figura abaixo. Em líquidos e gases, a condução deve-se às colisões das moléculas em seus movimentos aleatórios. Nos sólidos, ela acontece por causa da combinação das vibrações das moléculas em rede, e a energia é transportada por elétrons livres.

Considerando a condução de calor em regime permanente através de uma grande parede de espessura ∆𝑥 = 𝐿 e área 𝐴 e a equação da taxa de condução de calor, assinale a alternativa CORRETA:

A convecção natural é um processo de transferência de calor que ocorre em um fluido devido a gradientes de massa específica causados por gradientes de temperatura.

A determinação das taxas de transferência de calor de um sistema e, consequentemente, o tempo de aquecimento ou resfriamento e a variação de temperatura são os objetivos da transferência de calor. A termodinâmica trabalha com estados termodinâmicos em equilíbrio e transformações de um estado de equilíbrio para outro. A transferência de calor, por sua vez, trabalha com sistemas que não estão em equilíbrio térmico, pois são fenômenos de não equilíbrio termodinâmico. O estudo da transferência de calor não pode ser baseado apenas nos princípios da termodinâmica. A primeira lei estabelece que a taxa de energia transferida para um sistema deve ser igual à taxa de crescimento de sua energia.

Considerando o texto apresentado, avalie as asserções a seguir e a relação proposta entre elas.

I. Quanto maior o gradiente de temperatura, maior a taxa de transferência de calor.

PORQUE

II. A taxa de calor transferido deve ser na direção da maior temperatura.

A respeito dessas asserções, assinale a opção CORRETA.

O calor pode ser transmitido de várias maneiras. Relacione as três formas de transferência de calor listadas a seguir, com suas respectivas descrições.

1. Condução

2. Convecção

3. Radiação

( ) transferência da energia emitida por uma matéria sob forma de ondas eletromagnéticas.

( ) transferência de energia através das interações entre as partículas.

( ) transferência de energia tanto por difusão como por movimento global do fluido.

Assinale a opção que indica a relação correta, na ordem apresentada.

Durante um processo de aquecimento, uma chapa de metal com área de superfície de 0,5 m² é aquecida a uma temperatura de 200°C. Se a chapa é exposta a um ambiente com temperatura constante de 50°C e o coeficiente de transferência de calor convectivo é de 100 W/m²K, qual é a taxa de transferência de calor da chapa para o ambiente?

A convecção pode ser classificada como convecção natural (ou livre) ou forçada, dependendo de como o movimento do fluido é iniciado. Na convecção forçada, o fluido é forçado a escoar sobre a superfície ou dentro de um tubo por meios externos, como bomba ou ventilador. Na convecção natural, qualquer movimento do fluido é causado por meios naturais, como o efeito empuxo, que se manifesta com fluidos quentes subindo e fluidos frios descendo. A experiência mostra que a transferência de calor por convecção depende fortemente das propriedades do fluido, como viscosidade dinâmica, condutividade térmica, densidade e calor específico, assim como da velocidade do fluido. Ela também depende da geometria e da rugosidade da superfície sólida, além do tipo de escoamento do fluido (modo laminar ou turbulento).

Considerando o texto apresentado, avalie as asserções a seguir e a relação proposta entre elas.

I. Todas as observações experimentais indicam que a temperatura do fluido é maior próximo à superfície do que nas camadas adjacentes do fluido.

PORQUE

II. O fluido, em contato direto com um sólido, “adere” à superfície por causa dos efeitos viscosos, atingindo repouso completo na superfície, onde não há escorregamento.

A respeito dessas asserções, assinale a opção CORRETA.

Um forno industrial possui uma parede de 20cm de espessura, e temperaturas interna e externa de 1800 e 1200 graus Kelvin, respectivamente.

Sabendo-se, ao longo de duas horas, perdeu-se uma quantidade de 9,6kWh de calor por condução para cada metro quadrado dessa parede, a condutividade térmica do material da parede, em W/(m.K), vale

O NTU para o regenerador é superior a 4,0.

Considere a figura a seguir, que mostra os perfis de temperatura T normalizados de dois fluidos com mesmo calor específico em um trocador de calor de tubos concêntricos de fluxos opostos. Nesse caso, a taxa da capacidade térmica do fluido frio é cerca de metade da do fluido quente.