Fundamentos de transferência de calor e massa

1699 Pages·2013·46.957 MB·Portuguese

by  Frank P Incropera, Theodore L.Bergman, Adrienne Lavine e David P.DeWitt

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Traduzido de
FUNDAMENTALS OF HEAT AND MASS TRANSFER, SEVENTH EDITION
Copyright © 2011, 2007, 2002 John Wiley & Sons, Inc.
All Rights Reserved. This translation published under license with the original publisher John Wiley & Sons Inc.
ISBN: 978-0470-50197-9
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Produção Digital: Geethik
CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO
SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ
F977
7. ed.
Fundamentos de transferência de calor e de massa / Theodore L. Bergman ... [et al.] ; [tradução Eduardo Mach
Queiroz, Fernando Luiz Pellegrini Pessoa]. - 7. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2014. il. ; 28 cm.
Tradução de: Fundamentals of heat and mass transfer
Apêndices
Inclui bibliografia e índice
ISBN 978-85-216-2587-2
1. Calor - Transmissão. 2. Massa - Transferência. I. Bergman, Theodore L.
13-05194 CDD: 621.4022
CDU: 621.43.016
No prefácio da edição anterior, levantamos questões quanto às tendências da
engenharia referentes à prática profissional e à educação e quanto à manutenção da
relevância da disciplina Transferência de Calor. Após ponderarmos vários
argumentos, concluímos que o futuro da engenharia seria brilhante e que a
Transferência de Calor permaneceria uma disciplina vital e importante para a
capacitação em uma gama de tecnologias emergentes, incluindo a tecnologia da
informação, a biotecnologia, a farmacologia e a geração de energias alternativas,
entre outras.
Depois de chegarmos a essas conclusões, muitas mudanças ocorreram tanto no
ensino quanto na prática da engenharia. Tais mudanças foram causadas por uma
economia global em retração, associada aos desafios tecnológicos e ambientais
vinculados à produção e à conversão de energia. O impacto de uma economia global
enfraquecida na educação superior foi decepcionante. Faculdades e universidades
em todo o mundo foram forçadas a definir prioridades e a responder perguntas
difíceis, por exemplo, quais programas educacionais são cruciais e quais não o são.
Será que nossa avaliação inicial quanto ao futuro da engenharia, incluindo a
relevância da transferência de calor, teria sido muito otimista?
Deparando-se com a realidade econômica, muitas faculdades e universidades
definiram prioridades claras. Em reconhecimento a seu valor e relevância para a
sociedade, o investimento em educação na área de engenharia, em muitos casos,
aumentou. Pedagogicamente, houve uma renovada ênfase nos princípios
fundamentais que lastreiam a formação contínua. O papel importante e às vezes
dominante da transferência de calor em muitas aplicações, em especial na geração de
energia convencional e alternativa, e seus efeitos ambientais concomitantes,
reafirmaram a sua relevância. Acreditamos, então, que nossas conclusões anteriores
estavam corretas: o futuro da engenharia é brilhante, e a transferência de calor é um
assunto crucial para lidar com uma ampla gama de desafios tecnológicos e
ambientais.
Ao preparar esta edição, buscamos incorporar pesquisas recentes no estudo de
transferência de calor no nível apropriado para a graduação. Esforçamo-nos para
incluir novos exemplos e problemas com aplicações interessantes que motivem os
estudantes, e cujas soluções se alicerçam firmemente nos princípios básicos.
Mantivemo-nos fieis à abordagem pedagógica das edições anteriores, conservando
uma metodologia sistemática e rigorosa voltada para a solução de problemas.
Tentamos continuar a tradição de oferecer um texto que servirá como fonte diária
valiosa para estudantes e engenheiros ao longo de suas carreiras.
Abordagem e Organização
As edições anteriores deste texto seguiram quatro objetivos de aprendizado:
1. O estudante deve internalizar o significado da terminologia e dos princípios
físicos associados à transferência de calor.
2. O estudante deve ser capaz de delinear os fenômenos de transporte pertinentes a
qualquer processo ou sistema envolvendo transferência de calor.
3. O estudante deve ser capaz de usar as informações necessárias para calcular
taxas de transferência de calor e/ou temperaturas de materiais.
4. O estudante deve ser capaz de desenvolver modelos representativos de
processos ou sistemas reais e tirar conclusões sobre o projeto ou o desempenho
de processos/sistemas a partir da respectiva análise.
Além disso, tal como nas edições anteriores, os objetivos de aprendizado
específicos de cada capítulo estão mais claros, uma vez que eles são os meios pelos
quais se pode avaliar o alcance dos objetivos. O resumo de cada capítulo enfatiza a
terminologia principal, os conceitos desenvolvidos e apresenta questões projetadas
para testar e melhorar a compreensão dos estudantes.
Recomendamos que os problemas cujas soluções envolvam modelos complexos
e/ou considerações exploratórias do tipo o quê/se, assim como os que envolvam
considerações quanto à sensibilidade paramétrica, sejam abordados com o auxílio
de um pacote computacional para solução de equações. Por essa razão, o pacote
Interactive Heat Transfer (IHT),* disponível desde as edições anteriores, foi
atualizado. Especificamente, uma interface simplificada para o usuário agora
identifica a separação entre os recursos básicos e avançados desse pacote. Temos
experiência de que a maioria dos estudantes e professores irá usar principalmente os
recursos básicos do IHT. Mediante a identificação clara dos recursos avançados,
acreditamos que os estudantes vão se sentir estimulados a usar o IHT no seu
cotidiano. Um segundo pacote computacional, Finite Element Heat Transfer
(FEHT),** desenvolvido pela F-Chart Software (Madison, Wisconsin, EUA),
oferece mais recursos para a solução de problemas bidimensionais de condução
térmica.
Para estimular o uso do IHT, um Guia para Iniciantes (Quickstart User’s
Guide) foi incorporado ao pacote. Assim, estudantes e professores podem se
familiarizar com os recursos do IHT em aproximadamente uma hora. Constatamos
em nossa experiência que, após ler o Guia para Iniciantes, os estudantes começam a
utilizá-lo intensamente até em outras disciplinas.
Eles informam que o IHT reduz significativamente o tempo gasto na solução de
problemas longos, diminui erros e permite uma atenção maior aos aspectos
importantes da solução. As saídas gráficas podem ser geradas para trabalhos de
casa, resenhas e artigos.
Como nas edições anteriores, alguns dos problemas propostos requerem uma
solução baseada no uso de computadores. Outros problemas incluem tanto cálculos
manuais como uma extensão que necessita de apoio computacional. Essa última
abordagem já foi bem testada e estimula o hábito de verificar as respostas obtidas
com os pacotes computacionais por meio de cálculos manuais. Uma vez validadas,
as soluções computacionais podem ser utilizadas para conduzir cálculos
paramétricos. Os problemas que envolvem tanto soluções manuais como as que usam
computadores são identificados por letras dentro de retângulos, como, por exemplo,
(b), (c) ou (d). Essa notação também permite que os professores cuja intenção seja
limitar suas exigências de procedimentos que usem recursos computacionais se
beneficiem da riqueza desses problemas sem entrarem na respectiva parte
computacional. As soluções para os problemas nos quais a numeração está dentro de
retângulos (por exemplo, 1.26) são inteiramente obtidas com o auxílio de recursos
computacionais.
O Que Há de Novo na Sétima Edição
Mudanças de Conteúdo Capítulo por Capítulo Nas edições anteriores, o Capítulo
1 Introdução foi modificado para enfatizar a relevância da transferência de calor em
aplicações contemporâneas. Em resposta aos desafios atuais envolvendo a produção
de energia e seus impactos ambientais, uma discussão expandida sobre conversão de
energia e produção de gases do efeito estufa foi adicionada. O Capítulo 1 também foi
modificado para enaltecer a natureza complementar da transferência de calor e da
termodinâmica. O tratamento anterior da primeira lei da termodinâmica foi ampliado
com uma nova seção sobre a relação entre a transferência de calor e a segunda lei da
termodinâmica, assim como sobre a eficiência de máquinas térmicas. Na realidade, a
influência da transferência de calor na eficiência da conversão de energia é um tema
recorrente nesta edição.
A cobertura dos efeitos de micro e nanoescala no Capítulo 2 Introdução à
Condução foi atualizada de modo a refletir os avanços recentes. Por exemplo, a
descrição das propriedades termofísicas de materiais compósitos foi melhorada,
com uma nova discussão sobre nanofluidos. O Capítulo 3 Condução
Unidimensional em Regime Estacionário foi extensivamente revisado e foram
incluídos novos materiais sobre condução em meios porosos, geração termoelétrica
de potência e sistemas em micro e nanoescalas. A inclusão desses novos tópicos
segue as descobertas fundamentais recentes e é apresentada através do conceito de
redes de resistências térmicas. Dessa maneira, o poder e a utilidade da abordagem
com as redes de resistências ganham maior ênfase nesta edição.
O Capítulo 4 Condução Bidimensional em Regime Estacionário teve o seu
tamanho reduzido. Atualmente, os sistemas de equações algébricas lineares são
facilmente resolvidos por meio de pacotes computacionais padrão ou mesmo com o
auxílio de calculadoras manuais. Desse modo, o foco desse capítulo reduzido está na
aplicação dos princípios da transferência de calor que gera o sistema de equações
algébricas a ser resolvido, na discussão e na interpretação dos resultados. A
discussão da iteração de Gauss-Seidel foi transferida para um apêndice voltado para
os professores que queiram se aprofundar neste conteúdo.
O Capítulo 5 Condução Transiente já havia sido substancialmente modificado
na edição anterior e foi ampliado nesta edição com a entrada de uma apresentação
simplificada do método da capacitância global.
O Capítulo 6 Introdução à Convecção inclui um esclarecimento de como as
propriedades com valores dependentes da temperatura devem ser avaliadas quando
se calcula o coeficiente de transferência de calor. Os aspectos fundamentais do
escoamento compressível são apresentados para fornecer ao leitor as diretrizes
relativas ao limite de aplicação do tratamento da convecção no texto atual.
O Capítulo 7 Escoamento Externo foi atualizado e resumido. Especificamente, a
apresentação da solução por similaridade para o escoamento sobre uma placa plana
foi simplificada. Novos resultados para o escoamento ao redor de cilindros não
circulares foram adicionados, substituindo as correlações das edições anteriores. A
discussão sobre escoamento através de bancos de tubos foi encurtada para eliminar
as redundâncias sem comprometer o conteúdo.
No Capítulo 8 Escoamento Interno as correlações para as regiões de entrada
foram atualizadas, e a discussão sobre a convecção em micro e nanoescalas sofreu
modificações e foi incorporada ao conteúdo do Capítulo 3.
As mudanças no Capítulo 9 Convecção Natural incluem uma nova correlação
para convecção natural em placas planas, substituindo a correlação das edições
anteriores. A discussão dos efeitos da camada-limite foi modificada.
Aspectos da condensação incluídos no Capítulo 10 Ebulição e Condensação
foram atualizados para incorporar avanços recentes, por exemplo, em condensação
externa sobre tubos aletados. Os efeitos da tensão superficial e da presença de gases
não condensáveis na modificação do fenômeno da condensação e nas taxas de
transferência de calor foram elucidados. A cobertura da condensação com
convecção forçada e de técnicas de intensificação relacionadas foi expandida, mais
uma vez refletindo avanços na literatura recente.
O Capítulo 11 Trocadores de Calor trata do ressurgimento nos trocadores de
calor que desempenham um papel fundamental em tecnologias de geração de energia
convencional e alternativa. Uma nova seção ilustra a aplicação da análise de
trocadores de calor no projeto de dissipadores de calor e no processamento de
materiais. A maioria da cobertura de trocadores de calor compactos incluída nas