Engenharia térmica é uma subárea da engenharia mecânica dedicada ao armazenamento, à transferência e à conversão de energia térmica no interior de sistemas térmicos ou entre eles. Os engenheiros térmicos aplicam as leis da termodinâmica, da mecânica dos fluidos e da transferência de calor ao projeto de sistemas que geralmente envolvem máquinas térmicas ou trocadores de calor. Seus métodos são empregados em setores como a geração de eletricidade em usinas termelétricas, a indústria aeroespacial e o projeto de computadores.
Física A engenharia térmica costuma abranger três áreas da física, a termodinâmica, a mecânica dos fluidos e a transferência de calor. Seus princípios e conceitos são utilizados na análise de sistemas térmicos.
Termodinâmica A termodinâmica estuda a energia e suas transformações, incluindo as relações entre as propriedades dos sistemas em equilíbrio e as trocas de calor e trabalho. Calor e trabalho são formas de transferência de energia, não propriedades de estado. Existem quatro leis da termodinâmica.
A lei zero da termodinâmica estabelece que, se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, também estão em equilíbrio térmico entre si. A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como lei da conservação da energia, estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída. A energia total de um sistema fechado, que não troca matéria com sua vizinhança, só pode variar por meio de trabalho ou de transferência de calor através de sua fronteira. A segunda lei da termodinâmica complementa a primeira ao considerar a qualidade da energia e estabelecer restrições ao sentido dos processos. O enunciado de Clausius estabelece que é impossível um processo cujo único resultado seja a transferência de calor de um corpo mais frio para outro mais quente. O enunciado de Kelvin-Planck estabelece que é impossível uma máquina operar em um ciclo cujo único resultado seja retirar calor de um único reservatório e convertê-lo integralmente em trabalho. Os dois enunciados são equivalentes, e a violação de um deles também violaria o outro. A terceira lei da termodinâmica estabelece que a entropia de uma substância pura em estado cristalino perfeito é igual a zero no zero absoluto. Essa lei fornece um ponto de referência para o cálculo da entropia absoluta das substâncias.
Mecânica dos fluidos A mecânica dos fluidos pode ser dividida em estática dos fluidos, que estuda os fluidos em repouso, e dinâmica dos fluidos, que estuda os efeitos das forças sobre seu movimento. Entre suas aplicações estão os sistemas de tubulação de água, gás e esgoto em residências e cidades, o escoamento de fluidos refrigerantes em refrigeradores e trocadores de calor, além do transporte de combustível e outros fluidos em automóveis.
Transferência de calor A transferência de calor ocorre em razão de uma diferença de temperatura. Ao lado do trabalho, é uma das duas formas de transferência de energia através da fronteira de um sistema fechado. Também pode ocorrer entre partes de um mesmo sistema que estejam a temperaturas diferentes.
Os três mecanismos de transferência de calor são a condução, a convecção e a radiação. Na condução, interações microscópicas entre moléculas e outras partículas de uma substância transferem energia sem transporte de matéria em escala macroscópica. A transferência de calor por convecção combina o movimento macroscópico de um fluido com a condução em seu interior. A radiação térmica transfere energia por ondas eletromagnéticas e pode ocorrer mesmo no vácuo, sem a presença de um meio material.
Aplicações Os engenheiros podem utilizar a modelagem termodinâmica para avaliar as propriedades termodinâmicas e o desempenho de um sistema em desenvolvimento.
A análise de exergia permite avaliar a quantidade máxima de trabalho útil que poderia ser obtida ao levar um sistema ao equilíbrio com um ambiente de referência por processos reversíveis. Seu valor depende do estado do sistema e das condições desse ambiente, como temperatura, pressão e composição química. Embora a energia se conserve, a exergia é destruída por processos irreversíveis. O cálculo dessa destruição permite localizar perdas de capacidade de produzir trabalho e avaliar possibilidades de melhoria em instalações térmicas.
Máquinas térmicas miniatura|Uma máquina térmica recebe calor de um reservatório à temperatura , produz trabalho e rejeita calor para outro reservatório, à temperatura .
As máquinas térmicas são sistemas que convertem parte da energia recebida na forma de calor em trabalho, geralmente com o auxílio de um fluido de trabalho. Esse trabalho pode acionar um gerador de energia elétrica. Seu projeto se baseia no conceito de ciclos termodinâmicos de potência. A eficiência térmica de um ciclo de potência é a razão entre o trabalho líquido produzido e o calor recebido. As leis da termodinâmica impõem limites a essa eficiência de conversão de energia. Fenômenos naturais, como a circulação dos ciclones tropicais, também podem ser analisados por modelos de máquinas térmicas. Na engenharia térmica, essas máquinas são dispositivos construídos para produzir trabalho útil. As máquinas que utilizam a combustão de combustível podem ser classificadas como motores de combustão interna ou motores de combustão externa, conforme o local da combustão e a relação dos gases produzidos com o fluido de trabalho.
O desenvolvimento de motores de combustão interna é uma das áreas de especialização dos engenheiros térmicos. Esses motores têm aplicações no transporte, desde automóveis até motores a jato.
As instalações de combustão externa podem empregar uma turbina a vapor, com o fluido aquecido fora da turbina. As turbinas a vapor são utilizadas em usinas de geração de energia e também tiveram aplicações na propulsão naval e em locomotivas.
Para uma máquina térmica que opera em ciclo e troca calor apenas com dois reservatórios a temperaturas constantes, o ciclo de Carnot estabelece o limite de eficiência. A eficiência de uma máquina reversível nessas condições é dada por:
Nessa expressão, é a temperatura do reservatório quente e é a do reservatório frio, ambas expressas em kelvin. Nenhuma máquina térmica que opere em ciclo e troque calor apenas com esses dois reservatórios pode ultrapassar esse limite.
Trocadores de calor Um trocador de calor é um dispositivo que transfere calor entre meios a diferentes temperaturas e pode ser utilizado para aquecimento ou resfriamento. Em muitos modelos, os fluidos escoam por passagens separadas e trocam calor através de uma parede, sem se misturarem. Também existem trocadores de contato direto, nos quais os fluidos entram em contato. Entre os dispositivos usados para essa finalidade estão os condensadores e os dissipadores de calor. Estes últimos transferem calor de uma superfície sólida para um fluido.
Os trocadores também permitem recuperar calor de uma corrente e aproveitá-lo em outra etapa do processo, reduzindo a necessidade de aquecimento ou resfriamento externo. Nos recuperadores, a transferência ocorre através das paredes que separam as correntes. Nos regeneradores, um material armazena temporariamente o calor recebido do fluido quente e depois o transfere ao fluido frio. Recuperadores e regeneradores são categorias distintas de trocadores de calor.
Esses equipamentos são utilizados em aquecimento, ventilação e ar-condicionado, em refrigeração e no resfriamento da infraestrutura computacional. A remoção de calor ajuda a evitar a limitação de desempenho por aquecimento, na qual componentes como processadores reduzem sua frequência de operação para limitar a temperatura. Em centros de processamento de dados, o resfriamento adequado ajuda a manter o desempenho e a disponibilidade dos equipamentos.
Refrigeração e climatização Os sistemas de refrigeração e as bombas de calor podem utilizar ciclos termodinâmicos que consomem trabalho para retirar calor de uma região fria e transferi-lo para outra mais quente. Na refrigeração, o efeito desejado é a retirada de calor da região fria. No aquecimento por bomba de calor, é o calor fornecido à região quente. O desempenho desses sistemas é expresso pelo coeficiente de desempenho. Nos ciclos acionados por trabalho, ele relaciona o calor transferido para o efeito desejado com o trabalho líquido consumido. Esse coeficiente pode ser maior que um, pois o equipamento transfere calor entre regiões.
O projeto de sistemas de climatização também utiliza a psicrometria, que estuda as propriedades do ar úmido. O aquecimento e o resfriamento alteram sua temperatura, enquanto a umidificação e a desumidificação envolvem transferência de massa de água. Quando o ar é resfriado a pressão constante até uma temperatura inferior ao seu ponto de orvalho inicial, parte do vapor de água se condensa. Diagramas psicrométricos permitem acompanhar essas mudanças e calcular as condições do ar durante seu tratamento.
Cogeração A cogeração produz eletricidade e calor útil em uma mesma instalação. Em sistemas com motores ou turbinas, parte do calor que seria descarregada no ambiente é recuperada para produzir vapor ou água quente. Em outras configurações, uma caldeira fornece vapor a uma turbina, e o vapor que sai dela é aproveitado para aquecimento. O calor pode atender a processos industriais, edifícios ou redes de calefação urbana.
Armazenamento de energia térmica O armazenamento de energia térmica permite utilizar a energia em um momento diferente daquele em que foi obtida. No armazenamento por calor sensível, a energia é acumulada pela mudança de temperatura de um material, sem mudança de fase, como ocorre com sais mantidos no estado líquido, rochas ou concreto. No armazenamento por calor latente, ela é absorvida ou liberada durante uma mudança de fase, como a fusão e a solidificação. O armazenamento termoquímico utiliza reações químicas reversíveis para guardar energia e liberá-la quando necessário.
Outras aplicações Sistemas de ar comprimido Aquecimento solar Isolamento térmico Aquecedores de processo por combustão Armazenamento de energia térmica
Pesquisa Entre os periódicos de ciências térmicas classificados pelo índice h5 no Google Scholar Metrics estão Applied Thermal Engineering, International Journal of Heat and Mass Transfer, Case Studies in Thermal Engineering, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry e International Communications in Heat and Mass Transfer.
Ver também História da termodinâmica, desenvolvimento dos fundamentos físicos da engenharia térmica História do motor de combustão interna, desenvolvimento dos motores que queimam combustível em seu interior Sistema de arrefecimento, controle da temperatura de motores de combustão interna Condutividade térmica, propriedade dos materiais utilizada no cálculo da transferência de calor por condução Ciclo de refrigeração, processos utilizados em sistemas de refrigeração e bombas de calor Refrigeração por compressão, método de refrigeração baseado na compressão de vapor
Categoria:Engenharia mecânica Categoria:Engenharia química