As 3 formas de transferência de calor: entenda o que é e como impactam na sua casa

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Sentir calor nos dias de hoje virou rotina de norte a sul do país, causada sempre pelas três formas de transferência de calor. Você sabe quais são elas? Continue a leitura que vamos lhe explicar:

Transferência de Calor

A termodinâmica é o campo da física que estuda as relações de temperatura. Existem três formas distintas de transferência de calor: a condução, a convecção e a radiação. Cada uma delas influência no conforto térmico de uma maneira distinta, seja pela maneira física de transferência, seja proporção de calor transferida por cada uma delas.

Primeiramente, vale lembrar que toda transferência de calor ocorre sempre do ponto mais quente para o ponto mais frio. Isto tem a ver com as leis da termodinâmica que afirmam que os sistemas estão sempre buscando equilíbrio. Este equilíbrio tem a ver com a energia, e no caso deste artigo, com a energia em forma de calor.

Nesta postagem vamos introduzir um pouco mais como cada uma é descrita na teoria, com exemplos práticos que facilitarão a compreensão. Existem outros posts em nosso blog que abordam em específico cada uma delas. A transferência de calor sempre vai existir, pois todo sistema tende a entrar em equilíbrio térmico.

Sendo assim, confira os 3 vilões do conforto térmico:

 

1. Condução Térmica

A condução é o modo pelo qual o calor é transferido através de um meio material. Apesar de não conseguimos ver a olho nu, esta forma acontece de uma molécula (ou átomo) para sua vizinha. Resumindo, a condução acontece pelo contato da matéria. Primordialmente ocorre a condução principalmente em materiais sólidos, onde as partículas estão bem próximas umas das outras.

A rapidez com que o calor é conduzido vai depender de vários fatores. São eles:

  • Tamanho do sistema;
  • Composição dos materiais do sistema;
  • Diferença de temperatura entre áreas.

Existem materiais que são melhores condutores que outros. Os metais, por exemplo, conduzem 300 vezes mais calor que a madeira. Vale lembrar que depende sempre da densidade e da composição do material em questão. Como o calor se propaga de partícula para partícula, corpos mais densos, com maior número de partícula por unidade de volume são bons condutores. Isto explica por que os metais são bons condutores e a madeira nem tanto. Abaixo listamos alguns materiais comuns e seu valor de condutividade térmica:

MaterialCondutividade térmica (Κ)
Grafeno4115,00
Prata429,00
Cobre401,00
Ouro317,00
Alumínio237,00
Tungstênio174,00
Ferro 80,2
Vidro  0,79
Água  0,61
Tijolo  0,6
Epoxi  0,30
Polipropileno  0,25
Madeira (pinho)  0,13
Fibra de vidro  0,05
Espuma de poliuretano  0,03
Espuma de poliestireno EPS  0,03
Ar  0,03

 

Pelo mesmo motivo, os líquidos e gases não são bons condutores de calor. Um exemplo prático da condução em ação é o calor de uma frigideira fritando uma carne. O calor da chama do fogão aquece rapidamente o metal da frigideira que por condução deste mesmo calor cozinha a carne que está em contato com a frigideira.

Vale lembrar que os valores acima correspondem apenas a como os materiais se comportam com a condução como transferência de calor. Os valores de condutividade K não consideram as outras formas de transferência, que em muitos casos são mais importantes que a própria condução.

2. Convecção Térmica

A convecção é também um importante meio de transferência de calor em fluidos – líquidos e gases. A convecção acontece das seguintes formas:

  • Difusão (movimento aleatório de partículas individuais em fluidos);
  • Pelo movimento que ocorre nas correntes ascendentes de um fluido;
  • Pelo movimento de moléculas mais quentes (com mais energia) dentro de um sistema.

Um jeito fácil de pensar na convecção é que o fluido ou gás quente sobre e o frio desce. Por isso, é indicado que aquecedores fiquem na parte inferior de um cômodo e o ar-condicionado deve ser instalado na parte superior do ambiente. O aquecedor vai ser mais efetivo ao esquentar o ar frio que desce, e igualmente o ar-condicionado vai ser mais efetivo ao resfriar o ar quente que sobe.

Caso tenha dúvidas sobre conforto térmico, fizemos uma postagem muito bacana sobre o assunto – Saiba o que é o conforto térmico e qual sua importância

Por esse mesmo motivo os exaustores de galpões industriais são sempre colocados nos telhados e nos cantos superiores. Desta forma ele vai permitir a saída do ar quente pela convecção natural. Igualmente, coifas de cozinhas feitas normalmente de metal ajudam a criar um movimento forçado da fumaça e gases para cima.

O princípio é bem básico e relacionado justamente à densidade dos materiais no sistema. Exemplificando: a água quente é menos densa que a água fria, portanto ela subirá. Enquanto isso a água que estiver mais fria, estará mais densa, e vai descer dentro deste mesmo sistema. A fim de resumir este conceito, separamos um vídeo bem instrutivo feito pelo canal Canada Science and Technology Museum que mostra esse efeito de maneira bem didática. Ele está em inglês, mas é só ativar a tradução para o português que ele tem legendas.

O ar também é considerado um fluido pela termodinâmica, e a troca de calor por convecção vai influenciar demais na temperatura interna.

3. A radiação térmica

Para finalizar falaremos da radiação, o principal vilão do conforto térmico. A radiação é a fonte primária de calor, influenciando na convecção e condução no que diz respeito à construção civil. Certamente a maior fonte energética e de calor que nós temos é o Sol e a radiação advinda dele é a responsável por aquecer todo nosso planeta. Por causa disso, é possível afirmar que a tecnologia para geração de energia do futuro (e do presente) são as placas de captação da energia que vem da radiação solar.

Inegavelmente, no campo da construção civil a zona climática, bem como a exposição ao sol durante o dia são fatores que influenciam muito na temperatura interna de uma edificação. Além disso, livros de física descrevem a radiação como a propagação da energia de um ponto ao outro, seja no vácuo ou em qualquer meio material. Portanto pode ser classificada como energia em trânsito, pois pode ocorrer através de uma onda eletromagnética ou partícula. Só para exemplificar, todo corpo emite radiação, e quanto mais quente um material está, mais radiação ele emitirá.

Um exemplo da atuação da radiação é o calor que se sente ao se expor ao sol e a diminuição desta sensação ao ficar em um local de sombra. Quanto menos radiação um corpo recebe, menos calor ele sentirá. Vale lembrar que a radiação infravermelha é mais energética, ou transporta mais e calor que as visíveis e que as ultravioletas.

Como o equilíbrio térmico afeta a transferência de calor?

Como vimos, o calor é o fluxo de energia de uma temperatura alta para uma temperatura mais baixa. Quando essas temperaturas se equilibram, o calor para de fluir, então o sistema (ou conjunto de sistemas) está em equilíbrio térmico.

Cast iron in annealing oven in a foundry

O equilíbrio térmico também implica que não há matéria fluindo para dentro ou para fora do sistema. Todos os sistemas tendem ao equilíbrio térmico ao longo do tempo – e alguns sistemas demoram muito mais do que outros.

Os papéis do isolamento térmico e do armazenamento de calor no desempenho energético da construção:

Um isolamento de alto desempenho é o pré-requisito e a base para um edifício. A condutividade térmica e a capacidade calorífica volumétrica de uma parede são duas propriedades termofísicas que influenciam fortemente o desempenho energético.

No entanto, as importâncias desses materiais são distintas em diferentes situações:

  • o armazenamento de calor desempenha um papel primordial quando a condutividade térmica do material é relativamente alta, mas o efeito do isolamento térmico é dominante quando a condutividade é relativamente baixa.
  • em relação às paredes internas, elas são menos significativas para o desempenho energético do que as externas, e precisam exclusivamente de materiais de armazenamento de calor com alta condutividade térmica.

A aplicação de materiais isolantes como o 3TC, por exemplo, tem sido percebida como uma forma promissora de reduzir tanto o consumo de energia quanto da compensação de conforto térmico satisfatório.

Exemplos de tipos de mecanismos de transferência de calor em ambientes que precisam de resfriamento.

Por exemplo:

O isolamento térmico e resfriamento de um ambiente envolve processos para transferir calor de dentro e descarregá-lo para o ar circundante. Existem vários mecanismos de transferência de calor, incluindo convecção, condução, radiação térmica e resfriamento evaporativo.

Esse resfriamento envolve uma combinação de mecanismos de transferência de calor que são os seguintes:

Condução: Esta é a transferência de calor através de um sólido. Por exemplo, o calor gerado dentro de um invólucro é transferido para a superfície externa por meio de condução.

Convecção: A convecção é a transferência de calor de uma superfície por meio de um fluido como o ar. A convecção natural ocorre quando o ar é aquecido: ele se expande, sobe e é substituído por ar mais frio.

sistema de resfriamento

Radiação: Este é um processo em que a energia é irradiada através do ar por meio de radiação eletromagnética. Embora eficaz para fontes de alta temperatura, como o sol, é menos eficaz em temperaturas ambientes na Terra.

Evaporação: O calor latente de um fluido pode ser usado para transferir calor absorvendo a energia necessária para evaporar esse fluido. O calor absorvido é liberado permitindo que o fluido condense fora do gabinete.

Já o resfriamento passivo, a dependência da condução natural, convecção e radiação, é adequado para gabinetes com pouca carga que possuem áreas de superfície relativamente grandes e boa ventilação. A temperatura do ar ambiente deve ser inferior à temperatura do ambiente. Este método não é adequado para componentes sensíveis à temperatura em altas temperaturas ambientes.

Transferência de calor através de edifícios:

Em média, mais de metade da energia total anual utilizada pelos agregados familiares destina-se ao aquecimento ambiente e ao ar-condicionado.

A quantidade de energia consumida para aquecimento e resfriamento varia significativamente de acordo com a localização geográfica, tamanho da casa, tipo de construção e equipamentos e combustíveis usados.

Assim, os mecanismos de fluxo de calor não só influenciam os sistemas de aquecimento e refrigeração que instalamos, mas também informam como construímos a “separação térmica” entre interior e exterior.

Independentemente do clima ou do edifício, o calor sempre se comporta de maneira previsível, e isso é útil para entender como o calor se move pelas estruturas. Ao avaliar a eficiência energética de qualquer estrutura.

Calor x Temperatura

Calor não é o mesmo que temperatura. Calor é energia cinética; a temperatura é uma medida de quão intensa é essa energia cinética.

Para ilustrar isso, pense em dois recipientes de água – um contendo 10 galões e outro contendo 1 galão. A água em ambos os recipientes é de 10°C. Embora tenham a mesma temperatura, o recipiente maior retém 10 vezes mais calor do que o menor. O recipiente maior tem mais massa térmica e, portanto, tem mais capacidade de calor.

Transferência de calor

Como vimos antes, o calor se move através de conjuntos de edifícios principalmente de três maneiras: por condução, por convecção e por radiação.

Na verdade, a condução é o movimento de energia térmica diretamente através de materiais sólidos de molécula para molécula. O movimento do material não desempenha nenhum papel na transferência de calor.

Os materiais de construção conduzem energia em taxas diferentes. Metais, como cobre e aço, por exemplo, têm alta condutividade, o que significa que a energia térmica se move através deles a uma taxa muito eficiente.

As mantas de fibra de vidro e a espuma rígida, por outro lado, têm baixa condutividade.

Materiais que são maus condutores servem como isolantes quando são colocados entre materiais mais condutores em um conjunto como uma parede ou um telhado.

O fluxo de calor através de um conjunto de materiais é retardado apreciavelmente por materiais isolantes. A madeira está em algum lugar no meio da condutividade. Não é um bom isolante, a menos que seja triturado e tenha muitas bolsas de ar entre as fibras de madeira.

Todos os três métodos de transferência de calor devem ser bem entendidos. Um dos fatores mais importantes a considerar durante um novo desenvolvimento é o controle térmico do edifício. O controle térmico regula a temperatura dentro de uma estrutura.

Ele ajuda a manter temperaturas estáveis ​​de aquecimento e resfriamento durante as mudanças de estação ao longo do ano. Além disso, ajuda a garantir qualidade e conforto entre os ocupantes no interior e aumentar a satisfação.

Assim, o controle térmico se concentra na transferência de calor dentro de um edifício para mantê-lo frio ou quente. Para obter o controle, primeiro, as maneiras pelas quais o calor pode ser transmitido devem ser identificadas pelas três maneiras de transferência.

Técnicas de controle térmico da 3TC

As técnicas de controle térmico da 3TC estão ganhando popularidade. Isso se deve ao seu foco em sustentabilidade, capacidade de limitar o gasto energético e seus benefícios financeiros. Eles ajudam a economizar dinheiro a longo prazo porque exigem menos energia.

Porém, vimos que existem muitas formas diferentes de controle de calor sustentável. Todas são opções razoáveis ​​a serem analisadas ao iniciar um novo desenvolvimento e têm muitos efeitos positivos duradouros.

Por exemplo, os isolantes tradicionais, como as espumas e as lãs, só agem sobre o processo de condução – principalmente a manta térmica. O grande problema disso é que a radiação é responsável por 90% do aumento de temperatura das construções, especialmente nas paredes externas e nos telhados em contato com a energia solar.

Então, foi preciso desenvolver um material que agisse sobre os três fenômenos, a radiação, a condução e a convecção. E o 3TC, o material utilizado por nossa empresa para o isolamento termoacústico dos ambientes, consiste em um núcleo de EPS, poliestireno expandido, conhecido por sua alta eficiência em combate à condução de calor e por sua segurança contra chamas.

Para lidar com a radiação, essa estrutura é coberta por duas camadas de material metálico altamente reflexivo. Com isso, é possível devolver para o meio ambiente mais de 90% de toda a energia térmica.

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