O que ocorre quando os dois corpos por meio da transferência de calor atingem a mesma temperatura?

A transferência de calor é uma disciplina da engenharia térmica que diz respeito à geração, uso, conversão e troca de energia térmica ( calor ) entre sistemas físicos. A transferência de calor é classificada em vários mecanismos, tais como a condução térmica , convecção térmica , radiação térmica , e a transferência de energia por mudanças de fase . Os engenheiros também consideram a transferência de massa de diferentes espécies químicas, frias ou quentes, para obter a transferência de calor. Embora esses mecanismos tenham características distintas, muitas vezes ocorrem simultaneamente no mesmo sistema.

A condução de calor, também chamada de difusão, 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 seu entorno, o calor flui de forma que o corpo e o entorno atingem a mesma temperatura, ponto em que estão em equilíbrio térmico . Essa transferência espontânea de calor sempre ocorre de uma região de alta temperatura para outra região de baixa temperatura, conforme descrito na segunda lei da termodinâmica .

A convecção de calor ocorre quando o fluxo volumoso de um fluido (gás ou líquido) transporta calor junto com o fluxo de matéria no fluido. O fluxo de fluido pode ser forçado por processos externos, ou às vezes (em campos gravitacionais) por forças de flutuabilidade causadas quando a energia térmica expande o fluido (por exemplo, em uma pluma de fogo), influenciando assim sua própria transferência. O último processo é freqüentemente chamado de "convecção natural". Todos os processos convectivos também movem o calor parcialmente por difusão. Outra forma de convecção é a convecção forçada. Neste caso, o fluido é forçado a fluir pelo uso de uma bomba, ventilador ou outro meio mecânico.

A radiação térmica ocorre por meio de um vácuo ou qualquer transparente forma ( sólida ou fluido ou gás ). É a transferência de energia por meio de fótons em ondas eletromagnéticas regidas pelas mesmas leis. [1]

O calor é definido na física como a transferência de energia térmica através de uma fronteira bem definida em torno de um sistema termodinâmico . A energia livre termodinâmica é a quantidade de trabalho que um sistema termodinâmico pode realizar. A entalpia é um potencial termodinâmico , designado pela letra “H”, que é a soma da energia interna do sistema (U) mais o produto da pressão (P) pelo volume (V). Joule é uma unidade para quantificar energia , trabalho ou a quantidade de calor.

A transferência de calor é uma função de processo (ou função de caminho), em oposição às funções de estado ; portanto, a quantidade de calor transferida em um processo termodinâmico que muda o estado de um sistema depende de como esse processo ocorre, não apenas da diferença líquida entre os estados inicial e final do processo.

A transferência de calor termodinâmica e mecânica é calculada com o coeficiente de transferência de calor , a proporcionalidade entre o fluxo de calor e a força motriz termodinâmica para o fluxo de calor. O fluxo de calor é uma representação quantitativa e vetorial do fluxo de calor através de uma superfície. [2]

Em contextos de engenharia, o termo calor é considerado sinônimo de energia térmica. Esse uso tem sua origem na interpretação histórica do calor como um fluido ( calórico ) que pode ser transferido por diversas causas, [3] e que também é comum na linguagem dos leigos e do cotidiano.

As equações de transporte para energia térmica ( lei de Fourier ), momento mecânico ( lei de Newton para fluidos ) e transferência de massa ( leis de difusão de Fick ) são semelhantes, [4] [5] e analogias entre esses três processos de transporte foram desenvolvidas para facilitar previsão de conversão de qualquer um para os outros. [5]

A engenharia térmica diz respeito à geração, uso, conversão e troca de transferência de calor. Como tal, a transferência de calor está envolvida em quase todos os setores da economia. [6] A transferência de calor é classificada em vários mecanismos, tais como a condução térmica , convecção térmica , radiação térmica , e a transferência de energia por mudanças de fase .

Os modos fundamentais de transferência de calor são:

Advection

Ao transferir matéria, a energia - incluindo a energia térmica - é movida pela transferência física de um objeto quente ou frio de um lugar para outro. [7] Isso pode ser tão simples quanto colocar água quente em uma garrafa e aquecer uma cama, ou o movimento de um iceberg na mudança das correntes oceânicas. Um exemplo prático é a hidráulica térmica . [ carece de fontes? ] Isso pode ser descrito pela fórmula:

Onde

• é o fluxo de calor (W / m 2 ),
• é a densidade (kg / m 3 ),
• é a capacidade de calor a pressão constante (J / kg · K),
• é a diferença de temperatura (K),
• é a velocidade (m / s).

Condução

Em uma escala microscópica, a condução de calor ocorre quando átomos e moléculas quentes, em movimento rápido ou em vibração interagem com átomos e moléculas vizinhas, transferindo parte de sua energia (calor) para essas partículas vizinhas. Em outras palavras, o calor é transferido por condução quando átomos adjacentes vibram uns contra os outros, ou quando os elétrons se movem de um átomo para outro. A condução é o meio mais significativo de transferência de calor dentro de um sólido ou entre objetos sólidos em contato térmico . Fluidos - especialmente gases - são menos condutores. A condutância de contato térmico é o estudo da condução de calor entre corpos sólidos em contato. [8] O processo de transferência de calor de um lugar para outro sem o movimento das partículas é chamado de condução, como ao colocar a mão em um copo de água fria - o calor é conduzido da pele quente para o vidro frio, mas se se a mão for mantida a alguns centímetros do vidro, ocorrerá pouca condução, pois o ar é um mau condutor de calor. A condução em estado estacionário é um modelo idealizado de condução que ocorre quando a diferença de temperatura que impulsiona a condução é constante, de modo que, depois de um tempo, a distribuição espacial das temperaturas no objeto condutor não muda mais (ver lei de Fourier ). [9] Na condução em regime permanente, a quantidade de calor que entra em uma seção é igual à quantidade de calor que sai, uma vez que a mudança na temperatura (uma medida de energia térmica) é zero. [8] Um exemplo de condução em estado estacionário é o fluxo de calor através das paredes de uma casa quente em um dia frio - dentro da casa é mantida em alta temperatura e, fora, a temperatura permanece baixa, então a transferência de calor por unidade de tempo permanece próximo a uma taxa constante determinada pelo isolamento na parede e a distribuição espacial da temperatura nas paredes será aproximadamente constante ao longo do tempo.

A condução transitória (consulte a equação do calor ) ocorre quando a temperatura dentro de um objeto muda em função do tempo. A análise de sistemas transientes é mais complexa e as soluções analíticas da equação do calor são válidas apenas para sistemas modelo idealizados. As aplicações práticas são geralmente investigadas usando métodos numéricos, técnicas de aproximação ou estudo empírico. [8]

Convecção

O fluxo de fluido pode ser forçado por processos externos, ou às vezes (em campos gravitacionais) por forças de flutuabilidade causadas quando a energia térmica expande o fluido (por exemplo, em uma pluma de fogo), influenciando assim sua própria transferência. O último processo é freqüentemente chamado de "convecção natural". Todos os processos convectivos também movem o calor parcialmente por difusão. Outra forma de convecção é a convecção forçada. Neste caso, o fluido é forçado a fluir por meio de uma bomba, ventilador ou outro meio mecânico.

A transferência de calor por convecção , ou simplesmente, convecção, é a transferência de calor de um lugar para outro pelo movimento de fluidos , um processo que é essencialmente a transferência de calor via transferência de massa . O movimento em massa do fluido aumenta a transferência de calor em muitas situações físicas, como (por exemplo) entre uma superfície sólida e o fluido. [10] A convecção é geralmente a forma dominante de transferência de calor em líquidos e gases. Embora às vezes discutido como um terceiro método de transferência de calor, a convecção é geralmente usada para descrever os efeitos combinados de condução de calor dentro do fluido (difusão) e transferência de calor por fluxo de fluxo de fluido em massa. [11] O processo de transporte por fluxo de fluido é conhecido como advecção, mas advecção pura é um termo geralmente associado apenas ao transporte de massa em fluidos, como a advecção de seixos em um rio. No caso de transferência de calor em fluidos, onde o transporte por advecção em um fluido é sempre acompanhado por transporte via difusão de calor (também conhecido como condução de calor), o processo de convecção de calor é entendido como se referindo à soma do transporte de calor por advecção e difusão / condução.

A convecção livre ou natural ocorre quando os movimentos do fluido em massa (correntes e correntes) são causados ​​por forças de flutuabilidade que resultam de variações de densidade devido a variações de temperatura no fluido. Convecção forçada é um termo usado quando as correntes e correntes no fluido são induzidas por meios externos - como ventiladores, agitadores e bombas - criando uma corrente de convecção induzida artificialmente. [12]

Resfriamento por convecção

O resfriamento convectivo às vezes é descrito como a lei de resfriamento de Newton :

A taxa de perda de calor de um corpo é proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e seus arredores .

No entanto, por definição, a validade da lei de resfriamento de Newton requer que a taxa de perda de calor por convecção seja uma função linear ("proporcional a") da diferença de temperatura que impulsiona a transferência de calor e, no resfriamento por convecção, às vezes não é o caso . Em geral, a convecção não é linearmente dependente dos gradientes de temperatura e, em alguns casos, é fortemente não linear. Nestes casos, a lei de Newton não se aplica.

Convecção vs. condução

Em um corpo de fluido que é aquecido por baixo de seu recipiente, a condução e a convecção podem ser consideradas como competindo pelo domínio. Se a condução de calor for muito grande, o fluido descendo por convecção é aquecido por condução tão rápido que seu movimento descendente será interrompido devido à sua flutuabilidade , enquanto o fluido subindo por convecção é resfriado por condução tão rápida que sua flutuabilidade motriz diminuirá. Por outro lado, se a condução de calor for muito baixa, um grande gradiente de temperatura pode ser formado e a convecção pode ser muito forte.

O número Rayleigh () é o produto do Grashof () e Prandtl () números. É uma medida que determina a força relativa de condução e convecção. [13]

Onde

• g é a aceleração devido à gravidade,
• ρ é a densidade com sendo a diferença de densidade entre as extremidades inferior e superior,
• μ é a viscosidade dinâmica ,
• α é a difusividade térmica ,
• β é a expansividade térmica de volume (às vezes denotada como α em outro lugar)
• T é a temperatura,
• ν é a viscosidade cinemática , e
• L é o comprimento característico.

O número de Rayleigh pode ser entendido como a razão entre a taxa de transferência de calor por convecção e a taxa de transferência de calor por condução; ou, equivalentemente, a razão entre as escalas de tempo correspondentes (isto é, a escala de tempo de condução dividida pela escala de tempo de convecção), até um fator numérico. Isso pode ser visto da seguinte forma, onde todos os cálculos dependem de fatores numéricos dependendo da geometria do sistema.

A força de empuxo que conduz a convecção é aproximadamente , então a pressão correspondente é aproximadamente . No estado estacionário , isso é cancelado pela tensão de cisalhamento devido à viscosidade e, portanto, é aproximadamente igual, onde V é a velocidade típica do fluido devido à convecção ea ordem de sua escala de tempo. [ carece de fontes? ] A escala de tempo de condução, por outro lado, é da ordem de.

A convecção ocorre quando o número de Rayleigh está acima de 1.000–2.000.

Radiação

A radiação térmica ocorre por meio de um vácuo ou qualquer transparente forma ( sólida ou fluido ou gás ). É a transferência de energia por meio de fótons em ondas eletromagnéticas regidas pelas mesmas leis. [1]

A radiação térmica é a energia emitida pela matéria na forma de ondas eletromagnéticas, devido ao pool de energia térmica em toda a matéria com temperatura acima do zero absoluto . A radiação térmica se propaga sem a presença de matéria através do vácuo do espaço. [14]

A radiação térmica é um resultado direto dos movimentos aleatórios de átomos e moléculas na matéria. Como esses átomos e moléculas são compostos de partículas carregadas ( prótons e elétrons ), seu movimento resulta na emissão de radiação eletromagnética , que carrega energia para longe da superfície.

A equação de Stefan-Boltzmann , que descreve a taxa de transferência de energia radiante, é a seguinte para um objeto no vácuo:

Para transferência radiativa entre dois objetos, a equação é a seguinte:

Onde

• é o fluxo de calor ,
• é a emissividade (unidade para um corpo negro ),
• é a constante de Stefan-Boltzmann ,
• é o fator de visualização entre duas superfícies a e b, [15] e
• e são as temperaturas absolutas (em kelvins ou graus Rankine ) para os dois objetos.

A radiação normalmente é importante apenas para objetos muito quentes ou para objetos com uma grande diferença de temperatura.

A radiação do sol, ou radiação solar, pode ser aproveitada para aquecimento e energia. [16] Ao contrário das formas condutivas e convectivas de transferência de calor, a radiação térmica - chegando dentro de um ângulo estreito, ou seja, vindo de uma fonte muito menor do que sua distância - pode ser concentrada em um pequeno ponto usando espelhos refletivos, que são explorados na concentração de energia solar geração ou um vidro aceso . [17] Por exemplo, a luz do sol refletida nos espelhos aquece a torre de energia solar PS10 e durante o dia pode aquecer água a 285 ° C (545 ° F). [ citação necessária ]

A temperatura alcançável no alvo é limitada pela temperatura da fonte quente de radiação. (T 4 -law permite que o fluxo reverso da radiação de volta para a fonte suba.) O (em sua superfície) um pouco de sol quente de 4000 K permite atingir aproximadamente 3000 K (ou 3000 ° C, que é cerca de 3273 K) a um pequena sonda no ponto de foco de um grande espelho côncavo e concentrador da Fornalha Solar Mont-Louis, na França. [18]

Transição de fase ou mudança de fase, ocorre em um sistema termodinâmico de uma fase ou estado da matéria para outro por transferência de calor. Exemplos de mudança de fase são o derretimento do gelo ou a fervura da água. A equação de Mason explica o crescimento de uma gota de água com base nos efeitos do transporte de calor na evaporação e condensação.

As transições de fase envolvem os quatro estados fundamentais da matéria :

• Sólido - Deposição, congelamento e transformação de sólido em sólido.
• Gás - Ebulição / evaporação, recombinação / desionização e sublimação .
• Líquido - Condensação e derretimento / fusão .
• Plasma - Ionização .

Ebulição

O ponto de ebulição de uma substância é a temperatura na qual a pressão de vapor do líquido é igual à pressão em torno do líquido [20] [21] e o líquido evapora, resultando em uma mudança abrupta no volume do vapor.

Em um sistema fechado , a temperatura de saturação e o ponto de ebulição significam a mesma coisa. A temperatura de saturação é a temperatura para uma pressão de saturação correspondente na qual um líquido ferve em sua fase de vapor. Pode-se dizer que o líquido está saturado de energia térmica. Qualquer adição de energia térmica resulta em uma transição de fase.

Na pressão atmosférica padrão e em baixas temperaturas , não ocorre ebulição e a taxa de transferência de calor é controlada pelos mecanismos monofásicos usuais. À medida que a temperatura da superfície aumenta, ocorre a ebulição local e as bolhas de vapor se formam, crescem no fluido mais frio circundante e colapsam. Esta é a ebulição nucleada sub-resfriada e é um mecanismo de transferência de calor muito eficiente. Em altas taxas de geração de bolhas, as bolhas começam a interferir e o fluxo de calor não aumenta mais rapidamente com a temperatura da superfície (esta é a partida da ebulição nucleada , ou DNB).

Em pressão atmosférica padrão semelhante e altas temperaturas , o regime hidrodinamicamente mais silencioso de ebulição do filme é alcançado. Os fluxos de calor nas camadas estáveis ​​de vapor são baixos, mas aumentam lentamente com a temperatura. Qualquer contato entre o fluido e a superfície que pode ser visto provavelmente leva à nucleação extremamente rápida de uma nova camada de vapor (" nucleação espontânea "). Em temperaturas ainda mais altas, um máximo no fluxo de calor é alcançado (o fluxo de calor crítico , ou CHF).

O Efeito Leidenfrost demonstra como a ebulição nucleada retarda a transferência de calor devido a bolhas de gás na superfície do aquecedor. Como mencionado, a condutividade térmica da fase gasosa é muito menor do que a condutividade térmica da fase líquida, então o resultado é uma espécie de "barreira térmica do gás".

Condensação

A condensação ocorre quando um vapor é resfriado e muda sua fase para um líquido. Durante a condensação, o calor latente de vaporização deve ser liberado. A quantidade de calor é a mesma absorvida durante a vaporização na mesma pressão do fluido. [22]

Existem vários tipos de condensação:

• Condensação homogênea, como durante a formação de névoa.
• Condensação em contato direto com o líquido sub-resfriado.
• Condensação em contato direto com a parede de resfriamento de um trocador de calor: Este é o modo mais comum usado na indústria:
  • A condensação em forma de filme ocorre quando um filme líquido é formado na superfície sub-resfriada e geralmente ocorre quando o líquido molha a superfície.
  • A condensação gota a gota ocorre quando gotas de líquido são formadas na superfície sub-resfriada e geralmente ocorre quando o líquido não molha a superfície.

Derretendo

A fusão é um processo térmico que resulta na transição de fase de uma substância sólida para líquida . A energia interna de uma substância é aumentada, normalmente com calor ou pressão, resultando em um aumento de sua temperatura até o ponto de fusão , no qual a ordem das entidades iônicas ou moleculares no sólido se quebra para um estado menos ordenado e o sólido se liquefaz . As substâncias fundidas geralmente têm viscosidade reduzida com temperatura elevada; uma exceção a essa máxima é o elemento enxofre , cuja viscosidade aumenta até um ponto devido à polimerização e depois diminui com temperaturas mais altas em seu estado fundido. [23]

A transferência de calor pode ser modelada de várias maneiras.

Equação de calor

A equação do calor é uma importante equação diferencial parcial que descreve a distribuição do calor (ou variação da temperatura) em uma determinada região ao longo do tempo. Em alguns casos, soluções exatas da equação estão disponíveis; [24] em outros casos, a equação deve ser resolvida numericamente usando métodos computacionais , como modelos baseados em DEM para sistemas de partículas térmicas / reativas (conforme revisado criticamente por Peng et al. [25] ).

Análise de sistema concentrada

A análise de sistema concentrada geralmente reduz a complexidade das equações a uma equação diferencial linear de primeira ordem, caso em que o aquecimento e o resfriamento são descritos por uma solução exponencial simples, geralmente chamada de lei de resfriamento de Newton .

A análise do sistema pelo modelo de capacitância concentrada é uma aproximação comum na condução transiente que pode ser usada sempre que a condução de calor dentro de um objeto for muito mais rápida do que a condução de calor através da fronteira do objeto. Este é um método de aproximação que reduz um aspecto do sistema de condução transiente - aquele dentro do objeto - a um sistema de estado estacionário equivalente. Ou seja, o método assume que a temperatura dentro do objeto é completamente uniforme, embora seu valor possa mudar com o tempo.

Neste método, a razão da resistência condutiva ao calor dentro do objeto para a resistência convectiva de transferência de calor através da fronteira do objeto, conhecida como número de Biot , é calculada. Para pequenos números de Biot, a aproximação da temperatura espacialmente uniforme dentro do objeto pode ser usada: pode-se presumir que o calor transferido para o objeto tem tempo para se distribuir uniformemente, devido à menor resistência para fazê-lo, em comparação com a resistência a calor entrando no objeto. [26]

Modelos climáticos

Os modelos climáticos estudam a transferência de calor radiante usando métodos quantitativos para simular as interações da atmosfera, oceanos, superfície terrestre e gelo.

A transferência de calor tem ampla aplicação para o funcionamento de vários dispositivos e sistemas. Os princípios de transferência de calor podem ser usados ​​para preservar, aumentar ou diminuir a temperatura em uma ampla variedade de circunstâncias. [ carece de fontes? ] Métodos de transferência de calor são usados ​​em várias disciplinas, como engenharia automotiva , gerenciamento térmico de dispositivos e sistemas eletrônicos , controle de temperatura , isolamento , processamento de materiais e engenharia de usinas elétricas .

Isolamento, brilho e resistência

Isoladores térmicos são materiais projetados especificamente para reduzir o fluxo de calor, limitando a condução, convecção ou ambos. A resistência térmica é uma propriedade do calor e a medida pela qual um objeto ou material resiste ao fluxo de calor (calor por unidade de tempo ou resistência térmica) à diferença de temperatura.

Radiância ou radiância espectral são medidas da quantidade de radiação que passa ou é emitida. Barreiras radiantes são materiais que refletem a radiação e, portanto, reduzem o fluxo de calor das fontes de radiação. Bons isoladores não são necessariamente boas barreiras radiantes e vice-versa. O metal, por exemplo, é um excelente refletor e um isolador pobre.

A eficácia de uma barreira radiante é indicada por sua refletividade , que é a fração da radiação refletida. Um material com alta refletividade (em um determinado comprimento de onda) tem uma baixa emissividade (no mesmo comprimento de onda) e vice-versa. Em qualquer comprimento de onda específico, refletividade = 1 - emissividade. Uma barreira radiante ideal teria uma refletividade de 1 e, portanto, refletiria 100 por cento da radiação incidente. Frascos a vácuo , ou Dewars, são prateados para se aproximar desse ideal. No vácuo do espaço, os satélites usam isolamento multicamadas , que consiste em muitas camadas de Mylar aluminizado (brilhante) para reduzir significativamente a transferência de calor por radiação e controlar a temperatura do satélite. [ citação necessária ]

Dispositivos

Uma máquina térmica é um sistema que realiza a conversão de um fluxo de energia térmica (calor) em energia mecânica para realizar trabalho mecânico . [27] [28]

Um termopar é um dispositivo de medição de temperatura e um tipo de sensor de temperatura amplamente usado para medição e controle, e também pode ser usado para converter calor em energia elétrica.

Um resfriador termoelétrico é um dispositivo eletrônico de estado sólido que bombeia (transfere) calor de um lado do dispositivo para o outro quando a corrente elétrica passa por ele. É baseado no efeito Peltier .

Um diodo térmico ou retificador térmico é um dispositivo que faz com que o calor flua preferencialmente em uma direção.

Trocadores de calor

Um trocador de calor é usado para uma transferência de calor mais eficiente ou para dissipar o calor. Os trocadores de calor são amplamente utilizados em refrigeração , ar condicionado , aquecimento de ambientes , geração de energia e processamento químico. Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador de um carro, no qual o fluido refrigerante quente é resfriado pelo fluxo de ar sobre a superfície do radiador. [ carece de fontes? ] [29]

Os tipos comuns de fluxos de trocador de calor incluem fluxo paralelo, fluxo contrário e fluxo cruzado. No fluxo paralelo, ambos os fluidos se movem na mesma direção enquanto transferem calor; no contrafluxo, os fluidos se movem em direções opostas; e no fluxo cruzado, os fluidos se movem em ângulos retos entre si. Os tipos comuns de trocadores de calor incluem casco e tubo , tubo duplo , tubo com aletas extrudadas, tubo com aletas em espiral, tubo em U e placa empilhada. Cada tipo tem certas vantagens e desvantagens em relação a outros tipos. [ mais explicações necessárias ]

Um dissipador de calor é um componente que transfere o calor gerado dentro de um material sólido para um meio fluido, como o ar ou um líquido. Exemplos de dissipadores de calor são os trocadores de calor usados ​​em sistemas de refrigeração e ar condicionado ou o radiador de um carro. Um tubo de calor é outro dispositivo de transferência de calor que combina condutividade térmica e transição de fase para transferir calor de forma eficiente entre duas interfaces sólidas.

Arquitetura

O uso eficiente de energia é o objetivo de reduzir a quantidade de energia necessária para aquecimento ou resfriamento. Na arquitetura, a condensação e as correntes de ar podem causar danos estéticos ou estruturais. Uma auditoria energética pode ajudar a avaliar a implementação dos procedimentos corretivos recomendados. Por exemplo, melhorias de isolamento, vedação de ar de vazamentos estruturais ou adição de portas e janelas com eficiência energética. [30]

• Medidor inteligente é um dispositivo que registra o consumo de energia elétrica em intervalos.
• A transmitância térmica é a taxa de transferência de calor através de uma estrutura dividida pela diferença de temperatura na estrutura. É expresso em watts por metro quadrado por kelvin ou W / (m 2 K). As partes bem isoladas de um edifício têm uma baixa transmitância térmica, enquanto as partes mal isoladas de um edifício têm uma alta transmitância térmica.
• O termostato é um dispositivo para monitorar e controlar a temperatura.

Engenharia climática

A engenharia climática consiste na remoção de dióxido de carbono e gerenciamento da radiação solar . Uma vez que a quantidade de dióxido de carbono determina o equilíbrio radiativo da atmosfera terrestre, técnicas de remoção de dióxido de carbono podem ser aplicadas para reduzir o forçamento radiativo . O gerenciamento da radiação solar é a tentativa de absorver menos radiação solar para compensar os efeitos dos gases de efeito estufa .

Efeito estufa

O efeito estufa é um processo pelo qual a radiação térmica de uma superfície planetária é absorvida pelos gases de efeito estufa atmosféricos e é re-irradiada em todas as direções. Como parte dessa irradiação volta para a superfície e para a baixa atmosfera, ela resulta em uma elevação da temperatura média da superfície acima do que seria na ausência dos gases.

Transferência de calor no corpo humano

Os princípios de transferência de calor em sistemas de engenharia podem ser aplicados ao corpo humano para determinar como o corpo transfere calor. O calor é produzido no corpo pelo metabolismo contínuo de nutrientes que fornecem energia para os sistemas do corpo. [31] O corpo humano deve manter uma temperatura interna consistente para manter as funções corporais saudáveis. Portanto, o excesso de calor deve ser dissipado do corpo para evitar o superaquecimento. Quando uma pessoa se envolve em níveis elevados de atividade física, o corpo necessita de combustível adicional que aumenta a taxa metabólica e a taxa de produção de calor. O corpo deve então usar métodos adicionais para remover o calor adicional produzido a fim de manter a temperatura interna em um nível saudável.

A transferência de calor por convecção é impulsionada pelo movimento de fluidos sobre a superfície do corpo. Este fluido convectivo pode ser um líquido ou um gás. Para a transferência de calor da superfície externa do corpo, o mecanismo de convecção depende da área da superfície do corpo, da velocidade do ar e do gradiente de temperatura entre a superfície da pele e o ar ambiente. [32] A temperatura normal do corpo é de aproximadamente 37 ° C. A transferência de calor ocorre mais prontamente quando a temperatura ambiente é significativamente menor do que a temperatura normal do corpo. Este conceito explica por que uma pessoa sente frio quando não é usada cobertura suficiente quando exposta a um ambiente frio. A roupa pode ser considerada um isolante que fornece resistência térmica ao fluxo de calor sobre a parte coberta do corpo. [33] Essa resistência térmica faz com que a temperatura na superfície da roupa seja inferior à temperatura na superfície da pele. Este gradiente de temperatura menor entre a temperatura da superfície e a temperatura ambiente causará uma taxa mais baixa de transferência de calor do que se a pele não fosse coberta.

Para garantir que uma parte do corpo não seja significativamente mais quente do que outra, o calor deve ser distribuído uniformemente pelos tecidos corporais. O sangue que flui através dos vasos sanguíneos atua como um fluido convectivo e ajuda a prevenir qualquer acúmulo de calor em excesso dentro dos tecidos do corpo. Este fluxo de sangue através dos vasos pode ser modelado como um fluxo de tubo em um sistema de engenharia. O calor transportado pelo sangue é determinado pela temperatura do tecido circundante, o diâmetro do vaso sanguíneo, a espessura do fluido , a velocidade do fluxo e o coeficiente de transferência de calor do sangue. A velocidade, o diâmetro do vaso sanguíneo e a espessura do fluido podem estar relacionados com o Número de Reynolds , um número adimensional usado na mecânica dos fluidos para caracterizar o fluxo de fluidos.

A perda de calor latente , também conhecida como perda de calor por evaporação, é responsável por uma grande fração da perda de calor do corpo. Quando a temperatura central do corpo aumenta, o corpo ativa as glândulas sudoríparas da pele para trazer umidade adicional para a superfície da pele. O líquido é então transformado em vapor que remove o calor da superfície do corpo. [34] A taxa de perda de calor por evaporação está diretamente relacionada à pressão de vapor na superfície da pele e à quantidade de umidade presente na pele. [32] Portanto, o máximo de transferência de calor ocorrerá quando a pele estiver completamente molhada. O corpo perde água continuamente por evaporação, mas a quantidade mais significativa de perda de calor ocorre durante os períodos de aumento da atividade física.

Técnicas de resfriamento

Resfriamento evaporativo

O resfriamento evaporativo ocorre quando o vapor de água é adicionado ao ar circundante. A energia necessária para evaporar a água é retirada do ar na forma de calor sensível e convertida em calor latente, enquanto o ar permanece em entalpia constante . O calor latente descreve a quantidade de calor necessária para evaporar o líquido; este calor vem do próprio líquido e do gás e das superfícies circundantes. Quanto maior for a diferença entre as duas temperaturas, maior será o efeito de resfriamento evaporativo. Quando as temperaturas são iguais, não ocorre evaporação líquida da água no ar; portanto, não há efeito de resfriamento.

Resfriamento a laser

Na física quântica , o resfriamento a laser é usado para atingir temperaturas próximas do zero absoluto (−273,15 ° C, −459,67 ° F) de amostras atômicas e moleculares para observar efeitos quânticos únicos que só podem ocorrer neste nível de calor.

• O resfriamento Doppler é o método mais comum de resfriamento a laser.
• O resfriamento simpático é um processo no qual partículas de um tipo esfriam partículas de outro tipo. Normalmente, os íons atômicos que podem ser resfriados a laser diretamente são usados ​​para resfriar os íons ou átomos próximos. Essa técnica permite o resfriamento de íons e átomos que não podem ser resfriados a laser diretamente. [ citação necessária ]

Resfriamento magnético

O resfriamento evaporativo magnético é um processo de redução da temperatura de um grupo de átomos, após o pré-resfriamento por métodos como o resfriamento a laser. A refrigeração magnética esfria abaixo de 0,3K, fazendo uso do efeito magnetocalórico .

Resfriamento radiativo

O resfriamento radiativo é o processo pelo qual um corpo perde calor por radiação. A energia de saída é um efeito importante no orçamento de energia da Terra . No caso do sistema Terra-atmosfera, refere-se ao processo pelo qual a radiação de ondas longas (infravermelho) é emitida para equilibrar a absorção de energia de ondas curtas (visível) do sol. A termosfera (topo da atmosfera) esfria para o espaço principalmente pela energia infravermelha irradiada por dióxido de carbono (CO2) a 15 μm e por óxido nítrico (NO) a 5,3 μm. [35] O transporte convectivo de calor e o transporte evaporativo de calor latente removem o calor da superfície e o redistribuem na atmosfera.

Armazenamento de energia térmica

O armazenamento de energia térmica inclui tecnologias para coletar e armazenar energia para uso posterior. Pode ser empregado para equilibrar a demanda de energia entre o dia e a noite. O reservatório térmico pode ser mantido a uma temperatura acima ou abaixo do ambiente. As aplicações incluem aquecimento ambiente, sistemas de água quente doméstica ou de processo ou geração de eletricidade.

• Convecção combinada forçada e natural
• Capacidade de calor
• Física de transferência de calor
• Lei Stefan-Boltzmann
• Condutância de contato térmico
• Física térmica
• Resistência térmica em eletrônica
• Aumento da transferência de calor

• A Heat Transfer Textbook - (download gratuito).
• Thermal-FluidsPedia - Uma enciclopédia online de fluidos térmicos.
• Artigo de hiperfísica sobre transferência de calor - Visão geral
• Transferência de calor entre estações - um exemplo prático de como a transferência de calor é usada para aquecer edifícios sem queimar combustíveis fósseis.
• Aspects of Heat Transfer, Cambridge University
• Central de Fluidos Térmicos
• Energy2D: Simulações interativas de transferência de calor para todos