Transcript
Determinação experimental da condutividade de calor para o aço inox e para o cobre e da resistência de contato gerada na interface destes materiais. Stephan Hennings Och¹; Cesar Augusto Oleinik Luzia²; Enzo Maique Bodean³ ¹ Orientador do Laboratório ², ³ Alunos da graduação, 5° período.
Resumo – O artigo a seguir descreve e analisa o experimento realizado em laboratório para a determinação da condutividade térmica dos materiais: Cobre e Aço Inox bem como a resistência de contato entre estes dois materiais, para os casos de contato direto ou com uma película de pasta térmica entre eles. Utilizou-se a bancada experimental Itália Didacta, destinada para tal, e uma pasta térmica de pó de alumínio, com condutividade térmica de aproximadamente 0,2 W/m K. Abstract – The following article describes and analyses the lab experiment for the termal conduction and surface contact resistance for the copper and Inox steel samples. For that, a Italia didacta and a aluminum powder thermal paste (K= 0,2 W/mK ) were used. Palavras-chave: Resistência de contato, condutividade térmica,
Introdução Embora muitas vezes negligenciado, é importante reconhecer que, em sistemas compostos, a queda de temperatura em toda a interface entre os materiais pode ser considerável. Esta mudança de temperatura é atribuída ao que é conhecido como resistência térmica de contato. A existência dessa resistência de contato é devida principalmente à rugosidade superficial. Nos espaços criados pela rugosidade entre as interfaces acumulase ar que dificulta a condução do calor. [1] Abaixo a figura 1 esboça as interações que ocorrem na interface entre dois materiais.
Figura 1 – Interações de superfície entre dois materiais
A equação utilizada para o cálculo da resistência de contato é dada pela equação 1.
Rt =
ΔT qx
1
O objetivo desse laboratório consiste na obtenção do valor do coeficiente de condução para o inox e o cobre, como também o calculo da resistência de contato entre esses dois materiais. Método Os materiais e equipamentos utilizados foram:
1. Kit Itália Didacta T103D; 2. Corpos de prova de inox e de cobre; 3. Pasta térmica pó de alumínio. Na parte superior gerava-se uma potencia elétrica variada pelo valor de tensão no equipamento, sendo este valor aleatório. Através da potencia elétrica a temperatura nos corpos de prova aumentou. As temperaturas para pontos específicos dos corpos de prova eram obtidos através de termopares conectados ao equipamento. Pode-se observar a montagem do experimento através das figuras 2 e 3. Na figura 2 temos como eram inseridos os corpos de prova e na figura 3 o equipamento em geral.
Onde as distancias 1, 2, 3 e 4 correspondem a respectivamente 4,90, 4,90, 3,75, 5,70 em mm.
Figura 2 – Disposição dos corpos de prova no equipamento.
Em cada ponto dos corpos de prova obtinhase uma temperatura correspondente. Estas temperaturas eram obtidas nos visores do equipamento, que mostravam a temperatura para cada ponto especifico. Para a obtenção dessas temperaturas foi necessário um tempo de espera para que o sistema alcançasse o regime permanente, assim teríamos uma distribuição de temperatura nos corpos de prova mais precisa com relação ao comportamento de condução dos corpos de prova. Na parte inferior do aparato experimental passava um fluxo de água medido em 8 l/s. Para o cálculo do calor deve-se fazer uma média entre o valor gerado pela potencia elétrica e o calor retirado na parte inferior. Para o calculo do calor superior utilizamos a equação 2.
q x=Ui
2
Para o cálculo do calor inferior utilizamos o balanço de energia para volumes de controle que ao ser desenvolvido resulta na equação 3. Figura 3 – Equipamento utilizado. A distância nas quais os termopares foram colocados nos corpos de prova podem ser vistos através da figura 4 que mostra o esquema do experimento.
q x= m ˙ c p Ts−Te
3
Para o cálculo da resistência de contato utilizamos a equação 1 mostrada anteriormente. O valor da condutividade térmica é obtida através da equação 4.
q x=kA
ΔT q Δx k= Δx A ΔT
4 Após a obtenção das temperaturas nos pontos especificados, repetiu-se o experimento, porém inserindo entre os corpos de prova uma pasta térmica com condutividade térmica de 0,2 W/m K. Figura 4 – Esquema experimental
Resultados
Após as medições realizadas durante o experimento obtém-se a tabela 1 para a primeira do experimento e a tabela 2 para a segunda parte na qual foi usada a pasta térmica. As tabelas mostram a variação da temperatura da amostra em função das posições dos termopares ao longo dos corpos de prova. Tabela 1 – Variação da temperatura em função da posição para o cobre e inox. Inox Cobre Temperatura Posição Temperatura Posição [°C] [mm] [°C] [mm] 90 4,9 38 41,0 58 32,3 35 95,1 52,3 37,2 38,2 37,2 Inox Cobre Temperatura Posição Temperatura Posição [°C] [mm] [°C] [mm] 86 4,9 39 41,0 51 32,3 35 95,1 44,7 37,2 39,3 37,2 Tabela 2 – Variação da temperatura em função da posição utilizando pasta térmica. A partir dos valores das tabelas foi traçado o gráfico de como a temperatura varia em função da posição. Os gráficos podem ser vistos nas figuras 5 e 6. Podemos observar que o valor de ∆T foi bem maior para a primeira parte do experimento onde não foi utilizada a pasta térmica. Sem a pasta térmica o valor foi de 14,1 °C e com a pasta térmica o valor obtido foi de 5,4 °C.
Figura 6 – Variação da temperatura em função da posição com pasta térmica. O valor da taxa de calor gerado pela potencia elétrica é de 20,42 W, e o valor para a taxa de calor que é retirada é de 13,00 W. Realizando a média entre esses valores obtemos um fluxo de calor de 16,71 W. Utilizando a equação 1 obtém-se como resultado para a resistência de contato os valores de 0,84 K/W e 0,32 K/W para sem e com pasta térmica respectivamente. Utilizando a equação 4 chegamos aos valores para a condutividade térmica do inox e do cobre. O resultado é de uma condutividade de 26,65 W/mK para o inox e 460,36 W/mK. Comparando com os valores da tebela A1 do livro texto [1], encontramos um valor para a condutividade térmica de 15,1 W/mK e 401 W/mK para o aço inox AISI 302 e cobre puro respectivamente, ambos para uma temperatura de 300 K. Conclusões Após a realização do experimento e obtenção dos resultados pode-se, satisfatoriamente, obter valores de condutividade térmica para o cobre e para o aço inox, que obtiveram uma pequena disparidade com os valores teóricos devido, possivelmente, ao fato de as liga de inox e cobre serem desconhecidas.
Figura 5 – Variação da temperatura em função da posição sem pasta térmica.
Analisando-se os resultados dos valores obtidos para a resistência de contato, pode-se observar que a pasta térmica efetuou uma significativa redução nestes valores, como demonstrado graficamente em um valor de aproximadamente três vezes.
Referências 1. Incropera, Frank P., DeWitt, David P., Bergman, Theodore L., Lavine, Adrienne S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Ed. John Wiley & Sons, Inc., New York, 2006
