Calculadora de transferência de calor: condução, convecção e radiação

Como o calor é transferido?

O calor passa do quente para o frio por condução, convecção e radiação. Problemas reais costumam envolver os três mecanismos, cada um com sua relação.

Condução: lei de Fourier

Uma parede sólida com faces em temperaturas diferentes conduz calor: Q = k × A × (T₁ − T₂) / L, em que k é a condutividade do material, A a área e L a espessura.

Exemplo: parede de 3 m × 5 m e espessura de 30 cm, condutividade de 0,9 W/(m·K) e faces a 16 °C e 2 °C transfere Q = 0,9 × 15 × 14 / 0,3 = 630 W.

Com várias camadas, cada uma funciona como resistência térmica, R = L / (k × A). As resistências são somadas como resistores elétricos em série. A convecção superficial entra na mesma soma como 1 / (h × A). A ferramenta considera até três camadas e fornece as temperaturas nas interfaces.

Em paredes cilíndricas, a área cresce com o raio e a relação é logarítmica: Q = 2πkL × (T₁ − T₂) / ln(D₂ / D₁).

Convecção: lei de resfriamento de Newton

A troca entre superfície e ar ou água em contato é Q = h × A × (T_s − T_∞). h depende do escoamento, e não do material. É pequeno no ar parado e muito maior na água em movimento rápido.

Radiação: lei de Stefan-Boltzmann

Toda superfície emite radiação proporcional à quarta potência da temperatura. A troca líquida com o entorno é Q = ε × σ × A × (T_s⁴ − T_surr⁴). Use kelvin. σ = 5,670374 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴) é a constante de Stefan-Boltzmann e ε é a emissividade.

Exemplo: uma pessoa com área superficial de 1,4 m², emissividade de 0,95 e superfície a 30 °C perde 152 W por radiação em um ambiente com paredes a 10 °C. Com paredes a 25 °C, a perda cai para cerca de 41 W. Por isso sentimos mais frio no inverno mesmo com a mesma temperatura do ar.

Limites

As relações consideram regime permanente e fluxo unidimensional. Aquecimento e resfriamento transientes, superfícies aletadas, fatores de forma entre duas superfícies e cálculo dos coeficientes de convecção estão fora do escopo.