Lucas F Berti Eng Mat Transferncia de Calor

Lucas F. Berti Eng. Mat Transferência de Calor e Massa Prof. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR 1

Ementa Eng. Mat DISCIPLINA/UNIDADE CURRICULAR TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA Lucas F. Berti CÓDIGO PERÍODO EM 96 D 6º CARGA HORÁRIA AT (aulas) 34 AP (aulas) 17 APS (aulas) 03 AD (aulas) Total (aulas) 54 Total (horas) 45 AT: Atividades Teóricas, AP: Atividades Práticas, APS: Atividades Práticas Supervisionadas, AD: Atividades a Distância, PRÉ-REQUISITO Física 2; Equações Diferenciais Ordinárias EQUIVALÊNCIA OBJETIVOS Ao final da disciplina o aluno será capaz de: apontar os principais fenômenos de transferência de calor e massa; distinguir os principais processos de transferência de calor e massa; identificar os regimes de transferência de calor e massa. EMENTA Introdução aos fenômenos e transferência de calor; condução em regime permanente; condução em regime transitório; radiação térmica; transferência de calor por convecção; transferência de massa; mecanismos de difusão de massa. 2

Eng. Mat Ementa Lucas F. Berti PROCEDIMENTOS DE ENSINO AULAS TEÓRICAS Aulas expositivas dialogadas, permeadas com atividades de resolução de exercícios e questões propostas. Como meios de ensino serão utilizados lousa e equipamento multimídia. Durante as aulas teóricas, os alunos serão freqüentemente incentivados a participar a fim de esclarecer dúvidas e contribuir com exemplos e sugestões, além de tornar a aula mais dinâmica e produtiva. AULAS PRÁTICAS Atividades práticas realizadas nos laboratórios do curso de Engenharia de Materiais da UTFPR-LD. Pesquisas em bibliotecas e internet, apresentação de trabalhos na forma de seminários relacionados à disciplina aplicada a engenharia de materiais. Os conteúdos relatórios das aulas práticas serão cobrados na prova escrita. ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS Alguns exercícios serão indicados para resolução, antes da prova. No dia da resolução dos exercícios será realizado um sorteio com os alunos para a resolução dos exercícios em sala de aula, onde o aluno sorteado poderá ser questionado sobre os conceitos envolvidos na sua resolução. O aluno sorteado fica excluído do sorteio posterior, só retornando após este. Todos os alunos devem participar ao menos 2 (duas) vezes, de modo que, nos últimos capítulos os alunos que ainda não tiverem sido sorteados participarão de um sorteio especial com apenas os alunos nesta situação. A avaliação será feita segundo: resolução correta, clareza, organização e desenvoltura aos questionamentos. Em outra atividade será necessário fazer resumo de aula, escolhida aleatoriamente, de forma a motivar o aluno a prestar atenção nas aulas (o número de resumos será entre 1 e 3, de acordo com a combinação entre professor e alunos). A nota da atividade prática supervisionada dos alunos será 10% da média final. ATIVIDADES A DIST NCIA Não possui. Disciplina exclusivamente presencial. ATIVIDADES PRÁTICAS COMO COMPONENTE CURRICULAR 3

Eng. Mat Ementa Lucas F. Berti PROCEDIMENTOS DE AVALIAÇÃO A Média Parcial (MP) será o resultado da média aritmética das quatro notas parciais, MP = [(2*NP 1 + 3*NP 2 + 1*NP 3+ 1*NP 4)/7] As notas NP 1, NP 2 e NP 3 são as notas das três avaliações teóricas e escritas. A nota NP 4 é referente à apresentação de seminários relacionados aos temas da área de materiais metálicos. A média final (MF) será: MF = MPx 0, 9 + APSx 0, 1. Caso o aluno falte a alguma das avaliações escritas, deverá verificar o Artigo 36 da Resolução nº 112/10 -COEPP. Não haverá segunda chamada dos seminários. A avaliação substitutiva, realizada para possibilitar a recuperação do aproveitamento acadêmico, substituirá a menor nota das avaliações parciais, será escrita e realizada com todo o conteúdo da matéria. Apenas os alunos com média final inferior a 6, 0 poderão fazer a prova substitutiva. A data de realização da avaliação substitutiva está na programação e não haverá segunda chamada desta avaliação. A avaliação substitutiva terá peso igual à prova substituída. INFORMAÇÕES COMPLEMENTARES Presença: A presença em sala de aula será verificada através de chamada. O aluno terá que ter um mínimo de 75% de presença, do contrário não serão computadas as notas do aluno. Celulares: Celulares em sala de aula somente em modo silencioso. Grupos de discussão: Estudo e discussão de exercícios em grupos são permitidos, porém cada aluno deve apresentar suas soluções individuais para qualquer material a receber nota. Trabalhos práticos: Os trabalhos práticos serão em grupo e na apresentação algum dos alunos será sorteado para apresentação. Política para desconto por atraso: A fórmula para o valor, em pontos, por atraso na entrega do trabalho prático é: 1 + (2 d-1) onde d é o atraso em dias úteis, para d ≥ 1. Note que após o quinto dia, o trabalho não terá mais validade. Obs. Serão tolerados 15 minutos de atraso para entrada na sala de aula, em caso de urgência/emergência, quando avisado, será liberada a entrada na sala de aula. 4

Eng. Mat Ementa PROGRAMAÇÃO E CONTEÚDOS DAS AULAS (PREVISÃO) Dia/Mês ou Conteúdo das Aulas Semana 09/10 Apresentação da disciplina e das Atividades Práticas Supervisionadas 16/10 condução em regime permanente 23/10 condução em regime permanente 30/10 condução em regime transitório 06/11 condução em regime transitório 13/11 1ª Avaliação 27/11 transferência de calor por convecção 04/12 transferência de calor por convecção 11/12 transferência de massa 18/12 mecanismos de difusão de massa. 22/01 mecanismos de difusão de massa. 29/01 2ª avaliação 05/02 radiação térmica 12/02 3ª avaliação 19/02 Avaliação substitutiva 26/02 Vista de prova substitutiva e Encerramento da disciplina Lucas F. Berti Número de Aulas 3 3 3 3 5

Eng. Mat Ementa Lucas F. Berti REFERÊNCIAS Referencias Básicas: INCROPERA, Frank P. DEWITT, David P. , BERGMAN, Theodore L. , LAVINE, Adrienne. Fundamentos de transferência de calor e de massa. 6. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2008. xix, 643 p. + CD-ROM ISBN 8521613784. ÇENGEL, Yunus A. ; GHAJAR, Afshin J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4. ed. São Paulo: Mc. Graw-Hill, Bookman, AMGH, 2012. 902 p. + CD-ROM ISBN 9788580551273. CREMASCO, Marco Aurélio. Fundamentos de transferência de massa. 2. ed. Campinas, SP: Editora da UNICAMP, 2002. 725 p. ISBN 8526805959. Referências Complementares: LIENHARD V, John H. , LIENHARD IV, John H. , A Heat Transfer Textbook: Fourth Edition, 6. ed. Ed. Dover Publications, 2011, 768 p. ISBN: 978 -0486479316; Também disponível em formato virtual em: http: //web. mit. edu/lienhard/www/ahtt. html BEJAN, A. & KRAUS, A. D. . Heat Transfer Handbook. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2003. 1480 p KREITH, F. , BOHN, M. S. , 2003. Princípios de Transferência de Calor. São Paulo, SP: Thomson, 623 p. ISBN 8522102848 BIRD, R. Byron; STEWART, Warren E; LIGHTFOOT, Edwin N. Transport phenomena. 2 nd ed. rev. New York: J. Wiley, 2007. xii, 905 p. : ISBN 9780470115398 6

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Ementa Eng. Mat Lucas F. Berti • EMENTA – Transcal: • Introdução aos fenômenos e transferência de calor; • Condução: – condução em regime permanente; – condução em regime transiente; • Convecção: – transferência de calor por convecção; • Radiação: – radiação térmica; – Transmassa: • mecanismos de difusão de massa. – Difusão; – Convecção. 8

Lucas F. Berti Eng. Mat Heat Transfer: Physical Origins and Rate Equations • Chapter One • Sections 1. 1 and 1. 2

Heat Transfer and Thermal Energy Lucas F. Berti Eng. Mat • What is heat transfer? Heat transfer is thermal energy in transit due to a temperature difference. • What is thermal energy? Thermal energy is associated with the translation, rotation, vibration and electronic states of the atoms and molecules that comprise matter. It represents the cumulative effect of microscopic activities and is directly linked to the temperature of matter.

Heat Transfer and Thermal Energy (cont. ) Lucas F. Berti Eng. Mat DO NOT confuse or interchange the meanings of Thermal Energy, Temperature and Heat Transfer Quantity Meaning Thermal Energy+ Energy associated with microscopic behavior of matter Temperature A means of indirectly assessing the amount of thermal energy stored in matter Heat Transfer Thermal energy transport due to temperature gradients Heat Amount of thermal energy transferred over a time interval t 0 Heat Rate Thermal energy transfer per unit time Heat Flux Thermal energy transfer per unit time and surface area Symbol Units

Modes of Heat Transfer Lucas F. Berti Eng. Mat Conduction: Heat transfer in a solid or a stationary fluid (gas or liquid) due to the random motion of its constituent atoms, molecules and /or electrons. Convection: Heat transfer due to the combined influence of bulk and random motion for fluid flow over a surface. Radiation: Energy that is emitted by matter due to changes in the electron configurations of its atoms or molecules and is transported as electromagnetic waves (or photons). • Conduction and convection require the presence of temperature variations in a material medium. • Although radiation originates from matter, its transport does not require a material medium and occurs most efficiently in a vacuum.

Heat Transfer Rates: Conduction Eng. Mat Lucas F. Berti Conduction: General (vector) form of Fourier’s Law: Heat flux Thermal conductivity Temperature gradient Application to one-dimensional, steady conduction across a plane wall of constant thermal conductivity: (1. 2) Heat rate (W):

Heat Transfer Rates: Convection Lucas F. Berti Eng. Mat Convection Relation of convection to flow over a surface and development of velocity and thermal boundary layers: Newton’s law of cooling: (1. 3 a)

Heat Transfer Rates: Radiation Eng. Mat Radiation Lucas F. Berti Heat transfer at a gas/surface interface involves radiation emission from the surface and may also involve the absorption of radiation incident from the surroundings (irradiation, ), as well as convection Energy outflow due to emission: (1. 5) Energy absorption due to irradiation:

Heat Transfer Rates Radiation (Cont. ) Lucas F. Berti Eng. Mat Irradiation: Special case of surface exposed to large surroundings of uniform temperature, (1. 7)

Heat Transfer Rates: Radiation (Cont. ) Eng. Mat Lucas F. Berti Alternatively, (1. 8) (1. 9) For combined convection and radiation, (1. 10)

Process Identification Lucas F. Berti Eng. Mat Problem 1. 73(a): Process identification for single-and double-pane windows Schematic: Convection from room air to inner surface of first pane Net radiation exchange between room walls and inner surface of first pane Conduction through first pane Convection across airspace between panes Net radiation exchange between outer surface of first pane and inner surface of second pane (across airspace) Conduction through a second pane Convection from outer surface of single (or second) pane to ambient air Net radiation exchange between outer surface of single (or second) pane and surroundings such as the ground Incident solar radiation during day; fraction transmitted to room is smaller for double pane

Lucas F. Berti Eng. Mat Conservation of Energy • Chapter One • Section 1. 3

Alternative Formulations Lucas F. Berti Eng. Mat CONSERVATION OF ENERGY (FIRST LAW OF THERMODYNAMICS) • An important tool in heat transfer analysis, often providing the basis for determining the temperature of a system. • Alternative Formulations Time Basis: At an instant or Over a time interval Type of System: Control volume Control surface

CV at an Instant and over a Time Interval Eng. Mat Lucas F. Berti APPLICATION TO A CONTROL VOLUME • At an Instant of Time: Note representation of system by a control surface (dashed line) at the boundaries. Surface Phenomena Volumetric Phenomena Conservation of Energy (1. 11 c) Each term has units of J/s or W. • Over a Time Interval (1. 11 b) Each term has units of J.

Closed System Eng. Mat • Special Cases (Linkages to Thermodynamics) Lucas F. Berti (i) Transient Process for a Closed System of Mass (M) Assuming Heat Transfer to the System (Inflow) and Work Done by the System (Outflow). Over a time interval For negligible changes in potential or kinetic energy Internal thermal energy At an instant (1. 11 a)

Example 1. 3 Lucas F. Berti Eng. Mat Example 1. 3: Application to thermal response of a conductor with Ohmic heating (generation): • Involves change in thermal energy and for an incompressible substance. • Heat transfer is from the conductor (negative ) • Generation may be viewed as electrical work done on the system (negative )

Surface Energy Balance Eng. Mat Lucas F. Berti THE SURFACE ENERGY BALANCE A special case for which no volume or mass is encompassed by the control surface. Conservation Energy (Instant in Time): (1. 12) • Applies for steady-state and transient conditions. • With no mass and volume, energy storage and generation are not pertinent to the energy balance, even if they occur in the medium bounded by the surface. Consider surface of wall with heat transfer by conduction, convection and radiation.

Methodology Eng. Mat Lucas F. Berti METHODOLOGY OF FIRST LAW ANALYSIS • On a schematic of the system, represent the control surface by dashed line(s). • Choose the appropriate time basis. • Identify relevant energy transport, generation and/or storage terms by labeled arrows on the schematic. • Write the governing form of the Conservation of Energy requirement. • Substitute appropriate expressions for terms of the energy equation. • Solve for the unknown quantity.

Problem: Silicon Wafer Lucas F. Berti Eng. Mat Problem 1. 43: Thermal processing of silicon wafers in a two-zone furnace. Determine (a) the initial rate of change of the wafer temperature and (b) the steady-state temperature. SCHEMATIC: •

Problem: Silicon Wafer (cont. ) Lucas F. Berti Eng. Mat or, per unit surface area

Problem: Silicon Wafer (cont. ) Eng. Mat Lucas F. Berti