O calor: de onde vem, para onde vai e como é transferido?

Você já parou para pensar porque sentimos calor ou frio? Você saberia me explicar porque usa um ventilador para secar as roupas?

Sua mãe já te alertou:

“Está quente, assopre antes de comer”

Por fim, em aplicações mais específicas, na Engenharia Química, sua importância e aplicações? Venha conferir!

O que é o calor?

Similarmente a energia elétrica, cinética e potencial, o calor é uma  energia térmica. Apesar disso,  essa energia é transferida devido a existência de um gradiente de temperatura.

Conforme dito pelo químico francês Antoine Lavoisier:

Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma.

Em síntese, tudo se conserva.

Apesar de Lavoisier ter se referido a conservação de massa, podemos relacionar a conservação de energia, que, de maneira mais correta, é definida pela 1ª Lei da Termodinâmica.

E o que diz essa lei?

Que energia não pode ser criada ou destruída. Isso pode ser ilustrado pela equação abaixo:

O termo de energia na forma de calor é simbolizado pelo Q.

Ainda, conforme postulado pela termodinâmica, o calor será transferido de um estado de maior energia, mais quente, para um estado de menor energia, mais frio.

O calor e suas formas de transferência.

O calor pode ser transferido através de três métodos, a saber: condução, convecção e radiação.

Apesar de na maioria dos casos, com a finalidade de ser mais prático, consideramos e estudamos os fenômenos separadamente porque temos a predominância de cada efeito dependendo da situação.

Contudo, temos a colaboração de todos os efeitos simultaneamente.

A transferência de calor:

• Por condução

Esse fenômeno ocorre dentro de um meio material. Isso quer dizer que há uma transferência de calor associada à presença de um gradiente de temperatura no interior do material.

Isso se dá devido a interação microscópicas a nível molecular, difusão.

Para estudar a condução, lançamos mão da lei de Fourier. Observe a equação abaixo:

•  Por convecção

Ocorre quando uma superfície troca calor com um fluido em movimento. Esse fenômeno associa a difusão com a advecção, transporte de energia relativo ao movimento macroscópico, do fluido em movimento, por exemplo, quando você coloca sua roupa no varal, ou atrás da geladeira.

Ao estudá-lo, lançamos mão da lei de resfriamento de Newton, ilustrada pela equação abaixo:

Em oposição à condução, a convecção pode ocorrer de três formas: forçada, natural ou com mudança de fase.

Na convecção forçada, o movimento do fluido é em função da ação de um agente externo. Podemos citar a roupa no varal, no qual o fluido em questão é o ar. 

A natural, ocorre devido às forças de empuxo do próprio sistema, por exemplo, um quarto com ar condicionado.

Porque você acha que ar condicionado deve ser instalado no alto?

O ar frio é mais denso e tende a descer e o ar quente a subir.

Entendeu?

Por último, a convecção com mudança de fase é dita ocorrer quando o fluido muda de fase, quer dizer, condensa ou entra em ebulição.

•  Por radiação

Esta forma de transferência de calor é a emissão de energia realizada pela matéria em função de sua temperatura.

Seu mecanismo de ação é devido a modificação nas configurações eletrônicas dos átomos, tendo como resultado, a liberação de energia na forma de ondas eletromagnéticas.

Um exemplo prático e bem atual… Você lembra de algum? Quando você vai em qualquer lugar… como medem sua temperatura?

Sim, você emite radiações eletromagnéticas.

O calor aplicado na Engenharia Química

Esse fenômeno é extremamente importante para a engenharia química. Normalmente estudamos esse fenômeno,principalmente, nas disciplinas de fenômenos de transporte ou transferência, termodinâmica e operações unitárias.

Ah, não se preocupe, você precisará destes conceitos para toda sua vida profissional!

Sendo assim, pode estudar à vontade. (rs)

Vamos ver sua importância e aplicação?

Reatores

Primeiramente, é de conhecimento de todos que as reações químicas podem ser endotérmicas ou exotérmicas e que, muitas delas não se desenvolvem em temperatura ambiente.

Sendo assim, devemos considerar a temperatura ótima para que possamos ter o maior rendimento possível.

Por exemplo, se a reação for endotérmica, deveríamos fornecer energia e calor. Essa energia pode ser transferida através de um fluido quente (de maior temperatura) passando através de uma serpentina ou em um vaso encamisado.

Em contrapartida, se a reação for exotérmica, devemos passar um fluido frio para retirarmos calor do meio, de forma que não se corra o risco de atingir a temperatura máxima suportada pelo material do reator.

Trocadores de calor

Por vezes, em uma unidade, desejamos aquecer ou resfriar uma corrente.

E, como o nome já diz, os trocadores de calor são os equipamentos que nos permitem realizar as trocas térmicas entre duas correntes, sem que elas entrem em contato.

Ainda, podemos conhecer todas as variáveis deste processo, por exemplo: eu tenho um fluido a 25ºC, e vamos utilizar um outro fluido a 100ºC para aquecer. Qual será a temperatura de saída do reator do fluido frio?

 Todavia, outros dados deveriam ser fornecidos ou estimados para realização dos cálculos.

Aletas

Oi? Vamos ilustrar através da imagem abaixo:

Exato! É um motor! Para que você acha que essa parte do motor serve? Estilo?

Sinto lhe desapontar, mas NÃO. Isso é o que chamamos de aletas, ou superfícies aletadas.

Então  para que servem? Devem estar se perguntando.

Muitas vezes, é desejado que a troca de calor seja maior. E como faríamos isso? Uma das formas seria trocar o material, um que possui uma maior condutividade térmica. Entretanto, não seria viável.

Sendo assim, uma outra forma seria aumentar a área de troca térmica. Como resultado, temos uma maior troca de calor. Essa sim é a real função da aleta.

Puderam perceber os fenômenos relacionados ao calor presentes no nosso dia a dia? E que, nem nos damos conta do porquê fazemos as coisas? Só o fazemos.

Ah! Não posso me esquecer!

Os isolantes!

Esses oferecem uma resistência à transferência de calor. Como? Lembram da lei de fourier? Da letra k presente na fórmula? 

Isso representa a condutividade térmica do material,e , por conseguinte, quanto menor for essa constante, menor será a transferência de calor pelo material. Outro fator que irá influenciar é a espessura do material (L). Ao contrário da condutividade, quanto maior for a espessura menor será a taxa de transferência de calor.

Em resumo, sua garrafa térmica serve para conservar líquidos quentes ou frios!