Taxa de fluxo de calor é o quociente da quantidade de calor que atravessa uma superfície durante um intervalo de tempo (fluxo de calor) pela duração desse intervalo. A densidade de taxa de fluxo de calor é o quociente do fluxo de calor que atravessa uma superfície pela área dessa superfície. O calor é energia em fluxo, existindo três mecanismos para ocorrer essa transferência de calor: a condução, a convecção e a radiação. Na condução, a taxa de fluxo de calor é explicada por vibrações de átomos e elétrons que se propagam ao longo de uma rede. O calor flui da maior temperatura para a menor temperatura, denotadas e , onde os índices q e f significam: "fonte quente" e "fonte fria", respectivamente. Na convecção, uma parte de um fluido é aquecida por uma fonte quente e se dilata, consequentemente diminui sua densidade, fazendo com que essa parte aquecida vá para cima por causa da força do empuxo e subsequentemente a parte mais fria preenche a posição onde estava a parte mais quente; o processo pode se repetir inúmeras vezes; esse processo dá origem às correntes de convecção. Na radiação, o calor se dá através de radiação térmica, que são ondas eletromagnéticas, com o sistema em observação; a radiação não necessita de matéria para se propagar, pode se propagar no vácuo.

Condução Através de Placa Simples A taxa de fluxo ou taxa de transferência tem uma relação direta com a diferença de temperatura ; e tem uma relação inversamente proporcional com a espessura de isolante entre os pontos de ; e tem também uma relação proporcional com a área em que flui o calor. A taxa de fluxo de calor por condução entre dois sistemas é medida em Watt (joules por segundo).

A taxa de fluxo de calor pode ser definido por:

miniaturadaimagem|364x364px|Condução de calor por placa isolante simples.

∆Q/∆t é a taxa de fluxo de calor; K é a condutividade térmica (depende do material); A é a área de superfície; ∆T é a variação na temperatura; L é a espessura de material isolante. +Tabela com condutividades térmicas de alguns materiaisMaterialK (W/m.k)Espuma de Poliuretano0,024Ar (seco)0,026Lã de Pedra0,043Fibra de Vidro0,048Hélio0,15Aço Inoxidável14Chumbo35Ferro67Latão109Alumínio235Cobre401Prata428 O conceito de Resistência Térmica foi introduzido na atuação da engenharia. O valor de Resistência Térmica é definido:

A unidade de Resistência Térmica no SI é m².K/W.

Observação 1: ∆T/L é chamado gradiente de temperatura;

Observação 2: A taxa de fluxo de calor é comumente representado pela letra grega Fi (Φ);

Observação 3: A equação dada acima também é conhecida como Lei de Fourier. Condução Através de uma Placa Composta Para uma placa composta de dois materiais de espessuras diferentes e condutividades térmicas diferentes, assumimos que a transferência de calor acontece em um regime estacionário, ou seja, a temperatura da barra é independente do tempo e depende apenas de L; isto, na prática, significa que as taxas de condução através dos materiais são iguais. Chamamos Tx a temperatura entre os dois materiais fazemos a seguinte analogia: miniaturadaimagem|397x397px|Condução de calor por placa composta de dois materiais.

Isolando Tx, obtemos:

Substituindo Tx na expressão:

Para o caso de uma placa composta por mais de dois materiais, a fórmula é generalizada:

Exemplo: Condução Através de Placa Composta com três Camadas de Mesmo Comprimento Supondo três camadas de vidro (), ar () e vidro (), respectivamente, com o mesmo comprimento entre dois reservatórios térmicos de temperaturas e . As temperaturas e entre as camadas é dada partindo da taxa de fluxo de calor: miniaturadaimagem|323x323px|Condução por 3 camadas de mesmo comprimento.

Considerando e temos

Agora analisando a taxa de fluxo de calor para a camada de vidro, obtém-se a expressão para a diferença de temperatura das camadas de vidro em relação à diferença total de temperatura e as condutividades térmicas:

E agora analisando para a camada de ar:

Então podemos concluir que, para este caso específico de as três camadas terem o mesmo comprimento, as temperaturas e não dependem do comprimento das camadas, pois dependem apenas de e das condutividades dos materiais das camadas.

Emissão e absorção de energia por radiação: taxa de fluxo A taxa de emissão de energia por radiação eletromagnética é dita diretamente proporcional à área da superfície emitindo a radiação; e também é dependente da temperatura da área. A taxa de fluxo é dada pela fórmula descrita experimentalmente por Josef Stefan em 1879 e teoricamente deduzida por Ludwig Boltzmann:

é a constante de Stefan-Boltzmann: . é a emissividade daquela superfície específica; varia de 0 a 1 e a emissão máxima é de uma superfície ideal pois seria um Radiador de Corpo Negro. A taxa de absorção de energia por radiação térmica é definida levando em consideração uma temperatura ambiente uniforme:

Um Radiador de Corpo Negro é capaz de absorver toda energia que recebe, ou seja, não reflete nem espalha radiação pro ambiente; este corpo, se existir, seria completamente invisível para qualquer faixa de luz. Um objeto real tanto irradia quanto absorve energia para o ambiente simultaneamente; então usa-se a taxa líquida:

Ver também Propagação térmica Condução térmica Fluxo de calor Watt Fluxo Segunda lei da termodinâmica

Bibliografia N. Ozisik; Transferência de Calor: Um Texto Básico, Ed. Guanabara, 1990, 661 pgs. F. Incropera & Dewitt; Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, Ed. LTC, 5ª edição, 2003, 698 pgs. Newton, Helou & Gualter; Tópicos de Física: Volume 2, Ed Saraiva, 2012, 469 pgs.

Ligações externas C.A. Bertulani; Transferência de calor - www.if.ufrj.br

Categoria:Termodinâmica