miniatura|400px|Simulação de convecção térmica no manto terrestre. As cores passam do vermelho e do verde ao azul à medida que a temperatura diminui. Uma camada-limite inferior quente e menos densa envia plumas de material quente para cima, enquanto material frio da parte superior desce.
Propagação térmica, transferência de calor ou transmissão de calor é uma área da engenharia térmica que estuda a transferência de energia entre sistemas ou regiões causada por diferenças de temperatura. A energia transferida dessa maneira é denominada calor. A transferência de calor é classificada em mecanismos como condução térmica, convecção térmica, radiação térmica, transferência de energia associada a mudanças de fase e resfriamento evaporativo. O transporte de matéria por advecção também pode transportar energia térmica. Embora esses mecanismos tenham características próprias, eles costumam ocorrer ao mesmo tempo no mesmo sistema.
A condução térmica ocorre pela transferência microscópica de energia dentro de um material ou entre materiais em contato, por interações entre partículas, como átomos, moléculas e elétrons, e quasipartículas, como fônons, sem movimento macroscópico do meio. Quando um objeto está a uma temperatura diferente da de outro corpo ou de seu ambiente, ocorre transferência espontânea de calor do corpo de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa até que se estabeleça equilíbrio térmico, em concordância com a segunda lei da termodinâmica.
A convecção térmica ocorre quando o movimento macroscópico de um fluido, líquido ou gás, transporta energia. A condução molecular dentro do fluido também participa do processo. O escoamento pode ser produzido por meios externos ou, em campos gravitacionais, por forças de impulsão decorrentes de diferenças de densidade causadas pela temperatura. O primeiro caso é chamado de convecção forçada e o segundo, de convecção natural.
A radiação térmica é energia transportada por radiação eletromagnética. Ela não requer um meio material e pode atravessar o vácuo, além de se propagar através de meios materiais que sejam transparentes ou parcialmente transparentes nos comprimentos de onda envolvidos.
Visão geral
miniatura|300px|Intensidade da radiação térmica de onda longa emitida pela Terra, proveniente das nuvens, da atmosfera e da superfície.
Em termodinâmica, calor não é uma propriedade armazenada num sistema. É energia transferida através da fronteira de um sistema em consequência de uma diferença de temperatura. Depois da transferência, essa energia integra propriedades do sistema, como sua energia interna.
As funções de energia livre termodinâmica são potenciais termodinâmicos cuja interpretação depende das condições impostas ao sistema. A variação da energia livre de Gibbs, por exemplo, determina o máximo trabalho diferente do trabalho de expansão que pode ser obtido de um processo reversível a temperatura e pressão constantes. A entalpia, denotada por H, é definida por , em que U é a energia interna, P é a pressão e V é o volume. O joule é a unidade do Sistema Internacional para energia, trabalho e calor transferido.
A transferência de calor é uma função de processo, ou função de caminho, e não uma função de estado. A quantidade de calor transferida durante uma transformação termodinâmica depende do caminho seguido pelo processo, e não apenas dos estados inicial e final.
O fluxo espontâneo de calor segue do corpo mais quente para o mais frio. O sentido oposto pode ser produzido mediante fornecimento de trabalho, como ocorre numa máquina frigorífica, num refrigerador ou numa bomba de calor, que retiram energia de uma região fria e a entregam a uma região mais quente.
Em engenharia, o coeficiente de transferência térmica relaciona o fluxo de calor à diferença de temperatura que impulsiona determinada forma de transferência. O coeficiente pode depender da geometria, das propriedades dos materiais, do regime de escoamento e das temperaturas envolvidas. O fluxo de calor representa a taxa de transferência de energia por unidade de área.
A distinção moderna entre energia interna e calor substituiu a interpretação histórica do calor como uma substância material, o calórico, que poderia passar de um corpo para outro. Na linguagem cotidiana, "calor" ainda pode ser usado de maneira mais ampla, mas em termodinâmica designa energia durante sua transferência por diferença de temperatura.
As equações de transporte de energia térmica, pela lei de Fourier, de quantidade de movimento, pelas relações constitutivas dos fluidos newtonianos, e de massa, pela lei de Fick, possuem estruturas matemáticas análogas. Essas analogias podem ser usadas para relacionar resultados dos três tipos de transporte.
A engenharia térmica trata da geração, do uso, da conversão, do armazenamento e da transferência de energia em sistemas térmicos. Processos de transferência de calor participam de grande parte das tecnologias de geração e uso de energia, processamento industrial, transporte e climatização.
Mecanismos miniatura|250px|Os quatro modos de transporte térmico ilustrados por uma fogueira.
Os mecanismos usados para analisar o transporte térmico incluem:
Advecção Transporte de energia associado ao movimento macroscópico de matéria. Condução ou difusão Transferência microscópica de energia dentro de um meio ou entre meios em contato. A condutividade térmica mede a capacidade de um material conduzir calor. Convecção Transferência de calor envolvendo movimento macroscópico de um fluido em conjunto com condução dentro dele. Radiação Transferência de energia por radiação eletromagnética.
Advecção Ao transferir matéria, um escoamento também transporta a energia associada a essa matéria. O deslocamento de água quente por uma tubulação ou o movimento de massas oceânicas são exemplos. Uma aplicação técnica ocorre na termoidráulica.
Para um escoamento unidimensional de um fluido com densidade e calor específico aproximadamente constantes, a parcela sensível do fluxo advectivo de energia em relação a uma temperatura de referência pode ser escrita como:
onde: é o fluxo advectivo de energia sensível, em W/m2. é a densidade, em kg/m3. é a componente da velocidade normal à área, em m/s. é o calor específico a pressão constante, em J/(kg·K). é a diferença entre a temperatura do fluido e a temperatura de referência, em K.
Em formulações mais gerais, o transporte advectivo de energia é expresso em termos do fluxo de entalpia e não requer que seja constante.
Condução
Em escala microscópica, a condução de calor ocorre quando partículas e excitações microscópicas transferem energia para regiões vizinhas. Em sólidos não metálicos, vibrações da rede cristalina participam fortemente desse transporte. Em metais, elétrons móveis também transportam energia. A condução é um mecanismo central de transferência térmica dentro de sólidos e entre sólidos em contato térmico. A condutância térmica de contato trata especificamente da condução entre corpos sólidos em contato.
A lei de Fourier relaciona o fluxo de calor ao gradiente de temperatura. Para um meio isotrópico,
em que é o vetor densidade de fluxo de calor e é a condutividade térmica. O sinal negativo expressa que a condução espontânea ocorre no sentido de temperatura decrescente.
A condução em estado estacionário ocorre quando o campo de temperatura deixa de variar com o tempo, embora possa continuar variando de um ponto para outro. Num sistema sem geração interna de energia, a conservação de energia exige que a taxa que entra numa região seja igual à que sai dela. Um exemplo aproximado é o fluxo de calor através da parede de uma casa quando as condições internas e externas permanecem quase constantes.
A condução transiente, tratada pela equação do calor, ocorre quando o campo de temperatura muda com o tempo. Soluções analíticas estão disponíveis para geometrias e condições de contorno idealizadas, enquanto problemas mais gerais são tratados por métodos numéricos ou aproximações.
Convecção
A convecção combina o movimento macroscópico de um fluido com a difusão térmica dentro dele. O escoamento pode ser imposto por uma bomba, ventilador ou outro dispositivo, formando convecção forçada, ou pode surgir de diferenças de densidade submetidas à gravidade, formando convecção natural. Quando os dois efeitos têm magnitudes comparáveis, ocorre convecção combinada forçada e natural.
O movimento macroscópico do fluido pode aumentar fortemente a taxa de transferência térmica entre uma superfície e o fluido. A convecção costuma dominar a transferência de calor entre superfícies e líquidos ou gases em movimento.
Na convecção natural, o movimento do fluido nasce de forças de impulsão associadas a variações de densidade. Na convecção forçada, o movimento é imposto externamente. O escoamento também pode ser classificado como interno, quando se desenvolve dentro de uma região limitada por paredes, como um tubo, ou externo, quando passa sobre uma superfície. O coeficiente de transferência depende da geometria, das propriedades do fluido e do regime de escoamento. Em condições comparáveis, a mistura causada pela turbulência frequentemente aumenta a transferência em relação ao escoamento laminar.
Resfriamento por convecção
A chamada lei do resfriamento de Newton é usada localmente na forma:
em que é o fluxo de calor na superfície, é o coeficiente de transferência térmica por convecção, é a temperatura da superfície e representa uma temperatura de referência do fluido afastada da superfície.
A relação é linear na diferença de temperatura apenas quando pode ser tratado como constante. Em muitos problemas, principalmente de convecção natural, depende das temperaturas e das propriedades do fluido, de modo que a relação completa entre taxa de transferência e diferença de temperatura não é estritamente linear.
Convecção e condução Num fluido aquecido por baixo, a condução tende a suavizar gradientes de temperatura, enquanto a impulsão pode produzir movimento convectivo. O número de Rayleigh, , combina os efeitos de impulsão, difusão térmica e viscosidade e é definido, numa forma comum, por:
onde: g é a aceleração da gravidade. β é o coeficiente volumétrico de dilatação térmica. é uma diferença de temperatura característica. L é um comprimento característico. ν é a viscosidade cinemática. α é a difusividade térmica. e são os números de Grashof e Prandtl.
Não existe um valor crítico universal do número de Rayleigh. O início da convecção depende da geometria e das condições de contorno. No problema clássico de convecção de Rayleigh-Bénard entre placas horizontais rígidas e isotérmicas, aquecidas por baixo, a instabilidade convectiva começa em aproximadamente . Outros sistemas apresentam valores críticos diferentes.
Radiação miniatura|esquerda|Objeto de ferro ao rubro, transferindo energia ao ambiente por radiação térmica.
A transferência radiativa de calor ocorre por radiação térmica, uma forma de radiação eletromagnética. Matéria a temperatura finita emite radiação em consequência de excitações térmicas microscópicas. O espectro e a intensidade dependem da temperatura e das propriedades eletromagnéticas do material.
A distribuição espectral emitida por um corpo negro é dada pela lei de Planck. A integração dessa distribuição sobre todos os comprimentos de onda leva à lei de Stefan-Boltzmann. Para uma superfície cinzenta com emissividade hemisférica total , a potência emissiva é:
em que é a constante de Stefan-Boltzmann e T é a temperatura absoluta.
Para duas superfícies negras difusas, a troca líquida é:
em que é a área da superfície 1 e é o fator de vista, a fração da radiação que deixa a superfície 1 e alcança diretamente a superfície 2. Para uma pequena superfície cinzenta dentro de um ambiente negro muito maior e isotérmico, a expressão se reduz a: