Transferência de calor

A maioria de nós, se não todos, sabe que o aquecimento e o resfriamento das peças acontecem por três mecanismos: radiação, convecção e condução. Ao mesmo tempo em que exemplos simples ilustram os conceitos básicos, a ciência por trás, apesar de um pouco mais complexa, é algo que todos os tratadores térmicos deveriam saber. Vamos aprender mais.

A Ciência Revelada

Radiação

A radiação é o método de transferência de calor no qual não ocorre um contato direto entre a fonte de calor e o objeto sendo aquecido. Por exemplo, nós sentimos o calor do sol (Fig.1) mesmo que nós não estejamos o tocando. A radiação é também um aquecimento pela linha de visão, ou seja, se um objeto (como uma parte de um componente enterrado dentro de uma carga densa) não estiver diretamente no trajeto da energia radiante, ele não será aquecido enquanto os objetos ao redor (partes do componente, neste exemplo) não forem aquecidos e rerradiarem a sua energia térmica para o objeto enterrado. Este é o motivo da importância do espaçamento entre as peças em um forno de atmosfera em altas temperaturas e em fornos a vácuo.

A experiência do dia a dia ensinou que superfícies pretas ou opacas são melhores para absorver a energia térmica radiante do que superfícies brilhantes e refletivas. O que nem sempre nós prestamos atenção é que a energia radiante (a quantidade de energia térmica sendo radiada por segundo por unidade de área) é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta (Equação 1).

Desta forma, nós temos que ser extremamente cuidadosos quando aquecemos algo para assegurar que nós não iremos proporcionar um superaquecimento por radiação. É por isso, por exemplo, que as especificações aeroespaciais não permitem exposição direta das peças às fontes de aquecimento radiante (por exemplo, durante o tratamento térmico de solubilização do alumínio), o qual é realizado próximo da temperatura de fusão do material. A perda de calor por radiação pode ocorrer em qualquer situação, mas ela se torna mais importante à medida em que a temperatura aumenta. É por isso que os isolamentos dos fornos de alta temperatura precisam ser projetados de forma cuidadosa.

A taxa de transferência por calor radiante é dada pela Equação 1.

Q é o calor transferido em watts (Joule/segundo), A é a área da superfície em m2, K é uma constante (Stefan-Boltzmann), Fe e Fs são as emissividades do emitente e da superfície, respectivamente, e T é a temperatura do radiador e do receptor (em K).

Convecção

Em termos simples, a convecção ocorre quando um objeto (sólido) entra em contato com um líquido ou um gás que está em uma temperatura diferente. Sempre envolverá um líquido ou um gás em algum estado de movimento. Um secador de cabelo (Fig.2) é um exemplo simples no qual o ar aquecido sai do secador a uma velocidade tal que ele transfere a energia térmica para o objeto que ele atinge (mãos molhadas, cabelos molhados, etc.).

A taxa de transferência de calor por convecção é dada pela Equação 2.

Q é o calor transferido em watts (Joule/segundo), hc é o coeficiente de transferência de calor em W/m2-K, A é a área da superfície em m2, T é a temperatura em K e t é o tempo em segundos.

Condução

A condução ocorre quando dois objetos que estão em diferentes temperaturas entram em contato um com o outro. O calor flui do objeto mais quente para o mais frio até que ambos estejam na mesma temperatura. Um exemplo clássico de calor transferido entre dois corpos é quando uma colher de metal é deixada em um copo de café quente (Fig.3). Os sólidos são melhores condutores de calor do que os líquidos e os líquidos são melhores condutores de calor do que os gases. A taxa de transferência de calor por condução é dada pela Equação 3.

Q é o calor transferido em watts (Joule/segundo), k é a condutividade térmica do material em W/m.K, A é a área da superfície em m2, Tmais quente – Tmais frio é a diferença de temperatura por todo o material em K e L é a espessura do material em metros.

Enquanto a condução e a convecção necessitam de contato para transferir energia térmica, em contraste, a radiação não necessita de contato entre a fonte de calor e o objeto sendo aquecido. Assim, as transferências de calor de um objeto em uma temperatura específica por radiação e por convecção ocorrem de maneiras diferentes (Fig.4).

Sumário

No mundo real, é importante que tenhamos em mente como a energia térmica está sendo transferida para as peças que nós estamos processando de forma que possamos evitar problemas como o superaquecimento, subaquecimento, distorção e fusão da superfície e subsuperfície. Aqui estão mais alguns pontos importantes:

• Peças aquecidas por radiação (relação T4) irão receber energia térmica de forma muito mais rápida do que as peças aquecidas por convecção (uma relação T1);

• A transferência de calor por radiação, ao mesmo tempo em que é termicamente ineficiente em temperaturas abaixo de cerca de 540°C, se torna altamente eficiente conforme a temperatura aumenta. Esta é a razão dos fornos radiantes apresentarem uma dificuldade em relação à uniformidade de temperaturas durante o tempo de encharque em temperaturas baixas;

• A transferência de calor por convecção é termicamente eficiente em temperaturas baixas – até cerca de 650°C -, porém, muito menos eficiente conforme a temperatura aumenta;

• A transferência de calor por condução é responsável por levar calor para o interior de uma peça ou extrair calor do interior (núcleo) da peça. O tempo é um fator importante, no aquecimento ou resfriamento, para assegurar que o centro da peça tenha atingido a temperatura;

• Somente uma pequena porção da energia térmica fornecida para o forno ou mufla está disponível para aquecer a carga. O balanço se faz com as perdas devidas a uma variedade de razões (por exemplo, perdas de combustão, perdas pelas paredes, perdas nas aberturas, armazenamento do calor, etc).

Referências


[1] Dick Bennett, Janus Technologies, correspondência particular;
[2] How Does Heat Travel, NASA (www.nasa.org or http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/light_lessons/thermal/transfer.html);
[3] European Space Agency (www.esa.int).

 

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