Calor

Calor

Sólidos, líquidos e gases, representam três diferentes estados (também conhecidos como fases). Sólidos são praticamente incompressíveis e têm uma forma definida, enquanto líquidos são quase incompressíveis, e gases são compressíveis. Para fins práticos, sólidos e líquidos comprimem tão pouco que muitas vezes são considerados incompressíveis. A água pode existir como sólido (gelo), líquido (água) ou gás (vapor).

Calor é definido como ‘energia térmica transferida entre dois sistemas que estão em contato direto um com o outro, mas em temperaturas diferentes.’ Se o calor é transferido para uma substância, a substância mudará de temperatura, ou mudará de estado.

Exemplo de Mudança de Estado

Uma grande quantidade de calor é transferida para um bloco de gelo, o que faz com que ele derreta e se torne água.

Exemplo de Mudança de Temperatura

Uma pequena quantidade de calor é transferida para um pouco de água, sua temperatura aumenta, mas seu estado não muda.

A diferença importante em ambos os exemplos é que a energia pode ser transferida para uma substância para mudar a temperatura da substância, ou mudar o estado da substância. As diferenças entre as duas formas de energia são esclarecidas na próxima seção.

Calor Sensível e Latente

O gráfico abaixo mostra que a energia térmica adicionada nem sempre causa uma mudança de temperatura. O calor sensível é observado sempre que o calor é adicionado e a temperatura muda proporcionalmente (linhas inclinadas no gráfico). O calor latente é observado sempre que o calor é adicionado e não ocorre mudança de temperatura (linhas horizontais no gráfico).

Diagrama de Calor Sensível e Latente

Adicionar calor sensível à água aumentará gradualmente sua temperatura, embora ela só ferva quando atingir sua temperatura de saturação (ponto de ebulição). Na temperatura de saturação, não é possível adicionar mais calor sensível, mas mais calor pode ser adicionado na forma de calor latente.

O calor latente adicional faz com que a água evapore e mude de estado para gás. O vapor resultante contém tanto a energia de calor sensível quanto a latente que foi transferida para ele, no entanto, transformar água em gás requer muito mais energia do que simplesmente aquecer a água, portanto, o vapor contém muito mais calor latente do que calor sensível. O calor total contido no vapor é muito importante, pois representa a quantidade de energia que pode ser usada posteriormente pelo consumidor final.

Transferência de Calor

Como afirmado na segunda lei da termodinâmica, a energia térmica (também conhecida como calor) é transferida do quente para o frio. A diferença de temperatura entre duas substâncias dita a taxa de transferência de calor.

O calor é transferido via condução, convecção ou radiação. Na maioria dos ambientes industriais, o calor é transferido por uma mistura de um ou mais desses meios de transferência de calor, raramente por um único meio.

• Condução – o calor é transferido diretamente de uma molécula para outra. A condução ocorre em sólidos, líquidos e gases.
• Convecção – o calor é transferido por moléculas em estado fluido. A convecção pode ser forçada (usando uma bomba ou ventilador) ou natural, devido a diferenças de temperatura e densidade no fluido. Os dois tipos de convecção são conhecidos como convecção forçada e convecção natural.
• Radiação – o calor é transferido via energia radiante (ondas eletromagnéticas). A energia radiante é transferida apenas para objetos opacos, ou seja, objetos que não permitem a passagem de luz.

Condução, Convecção e Radiação

Condução 

Condução ocorre em sólidos, líquidos e gases. A capacidade de uma substância de absorver calor via condução é referida como sua condutividade térmica. Geralmente, sólidos têm maior condutividade térmica do que líquidos porque as moléculas estão mais próximas umas das outras. Da mesma forma, líquidos geralmente têm maior condutividade térmica do que gases. O ar tem baixa condutividade térmica, razão pela qual materiais isolantes frequentemente têm grandes espaços/bolsões de ar.

Note que a condutividade térmica é baseada no material, não em seu estado/fase. Por exemplo, muitos tipos de madeira têm uma classificação de condutividade térmica mais baixa do que a água, mas a madeira é um sólido e a água é um líquido. 

Exemplo de Condução

Se uma extremidade de uma barra de metal é aquecida em um fogo, enquanto a outra extremidade não, as moléculas da barra de metal aquecida passarão seu calor para suas moléculas vizinhas -mais frias-. O processo continua permitindo que o calor seja conduzido da extremidade quente da barra para a extremidade fria.

No caso de caldeiras, a condução ocorre quando o calor é transferido das superfícies internas de aquecimento da caldeira para as superfícies externas de aquecimento.

Convecção 

Convecção pode ser forçada ou natural. Convecção forçada requer uma bomba ou ventilador etc. Convecção natural ocorre devido a diferenças de temperatura no fluido (moléculas quentes são menos densas do que moléculas frias, razão pela qual têm uma tendência natural de subir acima delas). 

Exemplo de Convecção

Aquecendo água em uma panela faz com que as moléculas aquecidas se tornem menos densas e, portanto, subam ao topo da panela devido à convecção natural; moléculas mais frias e mais densas então ocupam o espaço onde estavam as moléculas aquecidas.

O efeito chaminé (também conhecido como efeito de chaminé) é um exemplo de convecção natural. A imagem abaixo mostra uma torre de resfriamento de tiragem natural. A torre de resfriamento permite que o ar mais frio entre pela base, onde é então aquecido pela água quente. O ar quente -menos denso- então sobe ao topo da torre, o que faz com que o ar mais frio seja puxado pela base da torre. Desta forma, é possível usar volumes muito grandes de ar para resfriar um processo sem usar bombas ou ventiladores.

Ar Quente (menos denso) Sobe e é Substituído por Ar Mais Frio (mais denso)

No caso de caldeiras, a convecção ocorre quando a água mais próxima das superfícies internas de aquecimento é aquecida e se torna menos densa. A água menos densa flui para cima e é substituída por água mais fria e mais densa; o processo é contínuo.

Radiação

Energia radiante é transferida para energia térmica apenas quando ondas eletromagnéticas impactam uma substância que não permite a passagem de luz, ou seja, a substância é opaca. Por exemplo, o sol transmite energia radiante, mas essa energia só se torna energia térmica quando encontra um objeto opaco, ou seja, a terra.

A quantidade de energia que uma substância pode transferir via radiação depende em grande parte de sua temperatura e emissividade. A capacidade de uma superfície de emitir radiação térmica é medida por sua emissividade. Geralmente, superfícies ásperas e escuras têm um coeficiente de emissividade mais alto do que superfícies lisas e brilhantes.

No caso de caldeiras, a energia radiante é liberada durante a combustão e é transmitida para as superfícies internas opacas de aquecimento da caldeira, onde se transforma em energia térmica. Note que a energia radiante é transferida apenas por linha de visão.

Exemplo de Radiação

Se um operador de caldeira abrir a porta da fornalha da caldeira, ele/ela sentirá o calor porque as ondas eletromagnéticas viajam para fora da fornalha até o operador. Se a porta for então fechada, as ondas eletromagnéticas não podem mais viajar para fora e o calor não é mais sentido. O ar entre a fornalha e o operador não é aquecido pelas ondas eletromagnéticas porque o ar permite a passagem de luz (não é opaco). Apenas substâncias opacas com linha de visão direta para o local da combustão serão impactadas pelas ondas eletromagnéticas emitidas.

Calor Sentido Devido à Radiação

Unidades de Calor

O calor é uma forma de energia e é frequentemente declarado em unidades térmicas britânicas (Btus) ou Calorias (Cal).

• Btu – a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de uma libra de água em um grau Fahrenheit.
• Caloria – a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de água em um grau Celsius.

Além das unidades de Btu e Caloria, a unidade de Joule é frequentemente usada.

Calor Específico

Diferentes substâncias requerem diferentes quantidades de calor para mudar de temperatura. Para tornar possível uma comparação entre substâncias, as substâncias recebem um valor de calor específico (C.E.) , esses valores são então compilados em tabelas. Os valores nas tabelas compiladas são apenas aproximações, o verdadeiro valor de calor específico de um combustível é determinado por amostragem e análise do combustível em um laboratório.

O calor específico é a quantidade de calor necessária para mudar uma unidade de massa de uma substância por uma unidade de temperatura. As unidades usadas dependem se unidades imperiais ou métricas são favorecidas. As unidades de energia de unidades térmicas britânicas (Btu) e Joules (J) são frequentemente usadas em cálculos de calor específico.

Exemplo 1 (Imperial)

O calor específico pode ser calculado como a quantidade de calor necessária para mudar uma libra de um material em um grau Fahrenheit. As unidades de capacidade calorífica específica imperial são Btu/lb°F.

Exemplo 2 (Métrico)

O calor específico pode ser calculado como a quantidade de energia térmica necessária para mudar um quilograma de um material em um grau Kelvin. As unidades de capacidade calorífica específica métrica são J/kgK. Note que um Celsius é equivalente a um Kelvin em magnitude, então a unidade J/kg°C fornece os mesmos valores de capacidade calorífica específica que quando citados em J/kgK.

Os valores de calor específico de várias substâncias são fornecidos na tabela abaixo.

Valores de Calor Específico de Várias Substâncias

Recursos Adicionais

https://www.chem.purdue.edu/gchelp/atoms/states.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_energy

https://en.wikipedia.org/wiki/Sensible_heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

https://en.wikipedia.org/wiki/Convection_(heat_transfer)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction

https://www.daikin.co.uk/en_gb/faq/what-is-the-difference-between-sensible-and-latent-heat-1.html