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A magia do fluxo de calor: como ele é transferido silenciosamente entre o ar e os objetos?
Em física e engenharia, o fluxo de calor, ou densidade do fluxo de calor, às vezes chamado de intensidade do fluxo de calor, é a quantidade de energia que flui por unidade de área por unidade de tempo. A unidade para este conceito é watt por metro quadrado (W/m2). O fluxo de calor tem direção e magnitude e, portanto, é considerado uma grandeza vetorial. Seja na ciência ou na engenharia, a medição e a aplicação adequadas do conceito de fluxo de calor são essenciais para entender e melhorar vários sistemas de gerenciamento térmico.
O fluxo de calor está em toda parte, tanto em nossa vida diária quanto em aplicações de engenharia de alta tecnologia.
Definição e aplicação do fluxo de calor
Para definir o fluxo de calor em um ponto no espaço, geralmente consideramos estados de superfície infinitesimais. O fluxo de calor é frequentemente representado por
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, e a subtagq indica que este é um fluxo de calor, não um fluxo de massa ou momento. A lei de Fourier é uma das leis importantes que descrevem o fluxo de calor, especialmente em materiais sólidos, onde o calor é transferido principalmente por condução.
A lei de Fourier nos diz que o fluxo de calor sempre flui de áreas de alta temperatura para áreas de baixa temperatura.
Lei de Fourier e suas extensões
A expressão da lei de Fourier em uma dimensão é:
Onde k é a condutividade térmica. O sinal negativo indica que o fluxo de calor está em direção à área de menor temperatura. Quando exploramos situações multidimensionais, o fluxo de calor ainda segue princípios semelhantes:
Aqui, ∇ é o operador gradiente, que mostra a relação entre o fluxo de calor e o gradiente de temperatura.
Métodos para medir o fluxo de calor
Existem várias maneiras de medir o fluxo de calor. Primeiro, podemos medir o fluxo de calor através de um material de condutividade térmica conhecida, semelhante à medição da queda de tensão em um resistor conhecido ao medir corrente elétrica. No entanto, essa abordagem é relativamente difícil de implementar em situações práticas porque a resistência térmica do material geralmente não é clara, portanto, a espessura precisa do material e a condutividade térmica são cruciais.
Quando a condutividade térmica é desconhecida, um sensor de fluxo de calor é uma ferramenta de medição eficaz.
Outra maneira de medir o fluxo de calor é usar um sensor de fluxo de calor ou transdutor de fluxo de calor, que mede diretamente a quantidade de calor transferida pela superfície em que está montado. Portanto, mesmo que os valores de resistência térmica ou condutividade térmica não precisem ser conhecidos, podemos realizar medições in situ.
Aplicações de sensores de fluxo térmico
Sensores de fluxo de calor comuns, como termopilhas de temperatura diferencial, têm um princípio básico semelhante ao primeiro método de medição mencionado acima, mas não exigem conhecimento da resistência térmica ou da condutividade térmica do produto. Isso torna os sensores de fluxo térmico mais flexíveis em muitas aplicações práticas. No entanto, essas termopilhas devem ser calibradas para converter seu sinal de saída (geralmente medido em microvolts) em um valor de fluxo de calor (medido em watts por metro quadrado por Kelvin). Uma vez calibrado, o sensor de fluxo de calor pode ser usado para medir o fluxo de calor diretamente, sem a necessidade de resistência térmica ou condutividade térmica conhecidas.
Na ciência e na engenharia, o balanço energético é uma ferramenta importante para analisar o fluxo de calor e os sistemas de gerenciamento térmico.
Análise de fluxo térmico em ciência e engenharia
Cientistas e engenheiros frequentemente contam com a ferramenta do balanço energético, que pode ser aplicada a qualquer sistema físico, desde reatores químicos até organismos biológicos. A fórmula do balanço energético é a seguinte:
∂Eentrada/∂t - ∂Esaída/∂t - ∂Eacumulado/∂t = 0Os três itens aqui representam a mudança total de energia que entra no sistema, a mudança total de energia que sai do sistema e a mudança cumulativa de energia dentro do sistema. Se a única maneira de transferência de energia for pelo fluxo de calor, então a taxa de fluxo de calor pode ser usada para calcular o balanço de energia. Mesmo em aplicações práticas, onde não é possível saber o fluxo de calor exato em cada ponto da superfície, podemos usar esquemas aproximados para realizar cálculos, como o método de integração de Monte Carlo.
Com o avanço da tecnologia, a importância da medição e controle do fluxo de calor tornou-se cada vez mais proeminente. Ela desempenha um papel importante em várias aplicações, como gerenciamento térmico de edifícios, projeto de dissipação de calor de equipamentos eletrônicos e muitos processos industriais. Neste mundo em rápida mudança, podemos entender melhor os mistérios do fluxo de calor para avançar a ciência e a tecnologia?
