Transferência de calor e a Termodinâmica da Energia (calor) – Condução – Convecção - Radiação térmica - ( reação exotérmica e endotérmica ) / ( rankine e kelvin ) - propriedades térmicas de alguns materiais - formas de transferência do calor ( condução, convecção da fumaça e radiação ) / ( como calcular ) - Balanço térmico - Condutividade térmica - Parede de tijolo ou aço ( tempo de penetração do calor ) - Temperatura na camada de fumaça à 4 metros de distância do foco (equação) - Radiação térmica - Stefan-Boltzmann

Transferência de calor

Como a combustão é uma reação química que produz luz e calor, é importante que os bombeiros saibam o que é e como o calor se propaga em um ambiente, uma vez que ele possui um potencial de dano tão grande ou maior do que o da ação direta das chamas em um  incêndio.

Termodinâmica é a ciência que define a relação entre energia, calor e propriedades físicas mensuráveis, como a temperatura, o que torna o seu estudo de relevante importância para se compreender o comportamento do fogo. Para uma melhor compreensão a respeito, é  preciso observar os seguintes conceitos:

Energia é a expressão mais produtiva do equilíbrio termodinâmico de um sistema (ou material), apresentando-se sempre como trabalho (movimento da massa ao longo de uma distância) ou calor. Existem vários tipos de energia e suas aplicações mais comuns envolvem a transformação de um tipo para outra. Exemplos: em um veículo, energia química é convertida em trabalho para impulsionar as rodas (energia cinética) e o calor residual do bloco do motor é dissipado para o ar. Em uma reação em cadeia, energia térmica é convertida em energia química (novos produtos de combustão), que proporcionará a transferência de calor de um corpo para outro em um incêndio.

Calor é a transferência de energia devido a uma diferença de temperatura. É a energia térmica em movimento que se transporta de uma região mais quente para uma região mais fria, obedecendo à 1ª Lei da Termodinâmica (princípio da conservação da energia), na qual os materiais tendem a alcançar o equilíbrio térmico.

Pelo equilíbrio térmico, a transferência de calor de uma região mais quente para uma região mais fria ocorrerá até que ambas estejam com a mesma temperatura.

No equilíbrio, também conhecido como regime estacionário ou permanente, todo o corpo estará em uma mesma temperatura.

A transferência de calor pode ocorrer tanto entre corpos diferentes como em áreas distintas de um mesmo corpo.

O calor presente em um incêndio pode ser gerado pela transformação de outras formas de energia, como, por exemplo:

- da energia química - calor gerado pela combustão;

- da energia elétrica - calor gerado pela passagem de eletricidade por meio de um condutor, ou do próprio ar: arco voltaico, faísca, eletricidade estática e raio;

- da energia mecânica - calor gerado pelo atrito entre dois corpos; ocorre com freqüência com motores em suas peças internas: rolamentos, mancais, ventoinhas, ventiladores e afins.

Existe também a energia térmica decorrente da energia nuclear, que é o calor gerado pela fissão ou fusão dos átomos, porém de raríssima ocorrência no caso de incêndios urbanos.

O calor (energia térmica) está diretamente associado com a diferença de temperatura entre dois corpos. Já a temperatura é a expressão do grau de agitação das moléculas. As moléculas estão em constante movimento e, quando aquecidas, sua velocidade aumenta, elevando também a temperatura. Algo que é “quente” tem relativamente maior temperatura comparado a outro que é “frio”.

Temperatura é a medida direta da atividade molecular, ou seja, é a medida da energia térmica. Todas as escalas utilizadas para definir temperatura são arbitrárias e foram estabelecidas levando-se em conta a conveniência.

A Tabela 8 apresenta a relação entre quatro escalas baseadas no ponto de ebulição e congelamento da água.

Duas delas – Rankine e Kelvin – estabelecem zero grau como zero absoluto.

Zero absoluto é a temperatura na qual a atividade molecular cessa, ou seja, não há movimentação das moléculas.

 Fig 32 - Transferência de calor

A Figura 32 esquematiza o fluxo de calor do corpo mais quente para o mais frio, com a unidade representada em kilowatts. Da mesma forma, em um incêndio, o material aquecido inicialmente (foco do incêndio) irá transferir calor para o ambiente e outros materiais próximos. Se essa ação for continuada, estes irão sofrer pirólise, podendo atingir seu ponto de ignição.

O calor é, então, o responsável pela mudança de temperatura nos campos e é proporcional ao calor específico do corpo (c), que é a quantidade de calor por unidade de massa necessária para elevar a sua temperatura em 1º C. O calor específico é uma característica própria de cada material, com valor constante na Tabela 9.

O calor (q) pode ser calculado pela equação:

q = m c ΔT

Na qual:

m é a massa.

c é o calor específico do material.

ΔT é a diferença de temperatura entre os corpos (ou entre

as partes).

Usualmente, o calor é expresso em joules (J). São necessários 4,182 J para elevar 1 (um) grama de água a 1º C. A taxa de fluxo de calor é representado por q& e é mensurada por quilojoules por segundo (kJ/s) ou kilowatts (kW).

 Um corpo não possui calor, mas, sim, temperatura.

Em uma reação, o calor pode ser liberado ou absorvido.

Quando o calor é liberado, a reação é denominada exotérmica. Exemplo: quando se aplica pressão em um gás, este libera calor para o ambiente e se transforma em líquido, como o caso do GLP envasado e do CO2 em um aparelho extintor. Se for aplicada mais pressão, continuará havendo liberação de calor e ele solidificar-se-á, como o caso do CO2 que se transforma em gelo seco.

Quando o calor é absorvido, a reação é denominada endotérmica. Exemplo: a aplicação de calor em um corpo sólido, como o gelo, fará com que ele absorva o calor aplicado e se transforme em água. Continuando o aquecimento, a água continuará absorvendo calor e se transformará em vapor, mudando seu estado para gasoso.

Formas de transferência de calor

Como o calor é a energia que pode causar, propagar e intensificar incêndios, conhecer como é transmitido de um corpo ou de uma área para outra é essencial para saber como controlar um incêndio.

O controle é o primeiro passo para extingui-lo.

 Figura 33 - Um incêndio se propaga e se intensifica pela transferência de calor

A transferência de calor de um corpo para outro ou entre áreas diferentes de um mesmo corpo será influenciada:

1. pelo tipo de material combustível que está sendo aquecido;

2. pela capacidade do material combustível de reter calor;

3. pela distância da fonte de calor até o material combustível.

Existem três formas básicas de transferência de calor:

condução, convecção e radiação.

 Figura 34 - Formas de transferência de calor

Apesar de, em um incêndio, ocorrerem muito frequentemente as três formas, geralmente, uma delas predomina sobre as outras em  um determinado estágio ou região do incêndio.

Condução

É a transferência de calor por meio do contato direto entre as moléculas do material, em corpos sólidos. Nesse processo, o calor passa de molécula a molécula, mas nenhuma delas é transportada com o calor.

 Figura 35 – Transferência de calor por condução através da parede

Um corpo sólido (como uma barra de metal, por exemplo), sendo aquecido em uma de suas extremidades sofrerá condução. O calor será transportado da extremidade mais quente em direção à extremidade mais fria. Suas moléculas, ao serem aquecidas, agitam-se e chocam-se com as vizinhas, transmitindo calor como uma onda de energia. E assim o movimento continua sucessivamente, até que o corpo atinja o equilíbrio.

É importante frisar que as moléculas do corpo se agitam, porém não saem do lugar em que se encontram, ou seja, não se deslocam. Nesse processo, ocorre a transferência de calor, tanto pela agitação das moléculas quanto pelo movimento dos elétrons livres no metal.

 Figura 36 - Transferência de calor por condução

Neste exemplo, o calor absorvido pela face interna da parede irá fluir para a face externa, por condução.

Condução

A quantidade de calor se movendo através da barra metálica será diretamente proporcional ao tempo de exposição ao calor, à sua seção transversal e à diferença de temperaturas entre as suas extremidades e inversamente proporcional ao seu comprimento, ou seja, quanto maior a diferença de temperatura entre as extremidades, maior será a transferência de calor.

Em um incêndio, quanto mais intensas forem as chamas, mais calor tende a ser dissipado para os materiais próximos, agravando o sinistro, o que implica afirmar que, quanto mais tempo exposto, mais  calor fluirá pela barra. Dessa forma, o tempo resposta em um incêndio é fundamental para um socorro eficiente.

Figura 37 - Condução de calor em um sólido

No início de 1800, Joseph Fourier formulou a lei da condução de calor, que estabelece que o calor fluindo através da matéria pode ser calculado pela expressão:

Na qual:

k é a condutividade térmica (pode ser observada na Tabela 9).

A é a área através da qual o calor é transferido.

T2 e T1 são as temperaturas nas diferentes faces do corpo

(zona quente e zona fria).

l é a espessura (ou o comprimento) do corpo.

A equação acima estabelece que o fluxo de calor entre duas temperaturas em um sólido também é proporcional a uma característica do sólido, conhecida como condutividade térmica (k). Da mesma forma, quanto maior a área, maior será o calor passando por ela. Caso análogo acontece com o cálculo do fluxo de água passando por um cano.

Condutividade térmica é a característica do material que representa a sua resistência à condução de calor. Devido à sua composição, os materiais conduzem mais ou menos calor quando expostos a uma mesma fonte externa de aquecimento.

Quanto maior o coeficiente de condutividade térmica de um material, mais facilmente este conduzirá calor. Quanto maior a diferença de temperatura entre os corpos (ou áreas) maior será a transferência de calor.

Analisando a Tabela 9, conclui-se que os metais são bons condutores de calor, enquanto o concreto e o plástico são bons isolantes térmicos. Por esse motivo, é considerada de grande importância a condutividade térmica do material pelo qual o calor será conduzido (transferido). Uma parede feita de tijolos conseguirá reter calor em um  ambiente por muito mais tempo que uma parede de metal, comum em um trailer ou navio.

O tempo de exposição do material ao calor, como já foi dito,  também é determinante para a quantidade de calor a ser transferida. Se este for maior que a capacidade do material de dissipar calor para o ambiente, haverá aquecimento e, conseqüentemente, o incêndio se propagará mais facilmente.

Quanto maior o tempo de exposição dos materiais ao calor, maiores as chances do incêndio se propagar.

Se dois ou mais corpos estão em contato, o calor é conduzido por meio deles como se o conjunto fosse um só corpo, respeitando-se a condutividade de cada material componente.

Materiais que contêm espaços vazios (em forma de bolsas de ar) em sua estrutura, tal como a celulose e a lã mineral, são bons isolantes térmicos, pela dificuldade que o calor enfrenta para atravessar esses espaços, por causa da baixa condutividade térmica do ar.

Com a equação e os valores constantes na Tabela 9, e ainda lembrando que a taxa de fluxo de calor (q’’) é a quantidade de calor fluindo sobre uma unidade de área, o cálculo para a taxa de fluxo de calor seguirá a seguinte equação:

Logo, é possível então estimar, em um incêndio em um cômodo, qual o fluxo de calor que está passando por uma parede de tijolos de 12 cm de espessura (medida comum em construções), na qual a temperatura em um dos lados da parede é de 22 ºC (temperatura ambiente) e do outro é de 330 ºC. Essa temperatura é facilmente  atingida em um incêndio estrutural.

q’’ = 0,69(330 – 22) / 0,12

q’’ = 1771 W = 1,771 kW/m2

Em um outro exemplo, se forem consideradas as mesmas temperaturas e espessura da parede, só que agora sendo esta feita em aço, obter-se-á o seguinte valor:

q’’ = 45,8(330 – 22) / 0,12

q’’ = 117553,3 W = 117,553 kW/m2

Como se pode notar, a uma mesma diferença de temperatura e com mesma espessura de parede, a taxa de fluxo de calor por condução na parede de aço será 66 (sessenta e seis) vezes maior que a encontrada na parede de tijolos.

Em casos reais, a transferência de calor se dá em todas as direções, simultaneamente, enquanto nesses exemplos calculou-se o fluxo de calor em uma direção apenas. Camadas de diferentes materiais, suas diferentes formas e o tempo de exposição à fonte de calor são fatores que irão aumentar a complexidade desse processo.

Em virtude disso, os cálculos do fluxo de calor em incêndios reais, normalmente, são obtidos pelo emprego de modelos próprios para processamento computacional.

Geralmente, a transferência de calor é instável (regime transiente) e leva algum tempo para o calor penetrar através da parede.

Uma estimativa empírica de quanto tempo levará para a outra face do corpo sofrer aumento de temperatura pode ser dada pela expressão:

Na qual:

t é o tempo de penetração térmica (dado em segundos).

l é a espessura da parede (dada em metros).

α é o coeficiente de difusividade térmica.

Isso significa que a onda de calor levará o tempo calculado pela fórmula acima para penetrar e atravessar a parede.

Nas mesmas condições do exemplo anterior, com uma parede  de 12 cm, é possível obter para os diferentes materiais:

Note-se que o tempo que o fluxo de calor leva para atravessar  uma parede de tijolos é 28 (vinte e oito) vezes maior que o tempo de atravessar uma parede de aço, igualando a sua temperatura.

Tomando-se, novamente, o exemplo da parede de tijolos.

Se for calculado o tempo de penetração do calor em três espessuras diferentes, sendo uma com 10 cm, outra com 20 cm e a última com 30 cm de espessura, obtém-se os valores abaixo:

• Tempo da parede com 10 cm = 1.201 s = 20 minutos

• Tempo da parede com 20 cm = 4.800 s = 80 minutos

• Tempo da parede com 30 cm = 10.817 s = 180 minutos

Por esse motivo, os cálculos para dimensionamento de paredes e portas corta-fogo são importantes para os estudos dos sistemas de engenharia contra incêndio e pânico, quando o assunto é resistência ao calor proveniente do incêndio, como forma de se evitar sua propagação.

Figura 38 - Tempo de penetração do calor em função da espessura de paredes feitas de tijolo, concreto e aço

Observa-se, conforme o gráfico presente na Figura 38 que o concreto e o tijolo possuem comportamentos semelhantes no que diz respeito ao tempo de penetração do calor, ao contrário do aço, capaz de transferir a mesma quantidade de calor em questão de minutos.

3.2. Convecção

Em um fluido em movimento, a transferência de seu calor até uma superfície sólida ou para outro fluido é chamada de convecção. Um fluido é qualquer material que possa escoar. Trata-se sempre de um líquido ou de um gás (ar, fumaça, gás combustível, etc.).

 Figura 39 - Transferência de calor por convecção

A convecção é a forma de transferência de calor que ocorre em fluidos – meio líquido ou gasoso.

Nesse tipo de transferência, o calor fluirá pelo contato direto entre as moléculas do fluido. A convecção envolve três processos distintos: a condução de calor, a diferença de densidade e a mudança de fase (estado físico).

 Figura 40 - Transferência de calor pela convecção da fumaça

Na Figura 40, é mostrado que a fumaça transfere calor da base do fogo para a parte mais alta da edificação (teto e pavimentos superiores) sem que tenha havido contato direto com as chamas.

Quando o fluido é aquecido, sua agitação molecular aumenta, elevando o número de colisões entre as moléculas. Com isso, as moléculas mais externas são empurradas para fora e alcançam o espaço ao redor, expandindo-se. Nesse processo de expansão, o fluido se torna menos denso e, portanto, mais leve que o ar, fazendo com que ele suba, atingindo as áreas mais altas.

Na convecção, as moléculas aquecidas se chocam umas com as outras, tornando o fluido  menos denso (portanto, mais leve) e sobem, distribuindo o calor pelo ambiente. Esse é o movimento natural da fumaça, normalmente presente nos incêndios.

Por isso o ar aquecido sobe, enquanto o ar frio desce. A separação entre os dois meios chama-se balanço térmico.

Quanto mais aquecido o ar, mais rápida e violenta será a ascensão da fumaça e dos gases quentes. Em um ambiente aberto, o ar aquecido continuará subindo até atingir o equilíbrio com a atmosfera.

 Fig 42 - A tendência natural da fumaça de um incêndio é subir!

Em ambientes fechados, os gases aquecidos ficam dispostos em camadas de temperatura crescente do piso ao teto. Próximo ao piso, toda a área horizontal apresenta temperatura semelhante, que é muito inferior à temperatura próximo ao teto.

Figura 43 – Temperatura na camada de fumaça a 4 metros de distância do foco (0,5m, 1,0m, 1,5m e 2,0m de altura)

Quando se aplica água na proporção adequada ao incêndio, o calor é absorvido e forma-se vapor, o qual sobe por efeito da convecção, e a temperatura do ambiente cai, mantendo-se o balanço térmico. Essa situação propicia mais conforto para o bombeiro e um rescaldo mais fácil e rápido.

Quando se usa água além da necessária, forma-se vapor excessivo, que não consegue subir e acumula-se no ambiente. A visibilidade diminui, e a temperatura aumenta próximo ao piso, dificultando o trabalho dos bombeiros e o rescaldo. Se isso ocorrer (temperatura mais alta em baixo), a extinção dos focos restantes será dificultada, o que contraria o senso comum.

A aplicação de muita água atrasa a extinção do incêndio.

Nas situações em que o movimento do fluido é induzido por um ventilador ou outro dispositivo qualquer, se dá uma convecção forçada.

Nesse caso, o percurso do fluido aquecido será afetado e poderá transmitir calor para materiais que se encontrem na rota de escape da fumaça. O uso de ventiladores e outros dispositivos de ventilação tática devem ser adotados com cuidado e são assuntos presentes no Módulo 3 deste manual.

O movimento ascendente do fluido aquecido (nos processos de convecção natural ou forçada) torna-se particularmente perigoso em incêndios em edificações que possuam mais de um pavimento, com a presença de corredores verticais contínuos (fossos de elevadores ou tubulações).

Perigo semelhante ocorre com as escadas, por permitirem que a fumaça suba de um pavimento para o outro. Uma forma simples de lembrar do perigo das escadas para a convecção é: se uma pessoa consegue acessar o pavimento superior por uma escada, a fumaça também pode e, certamente, o fará.

Esse processo pode ocasionar a propagação de incêndio em

pavimentos descontínuos, aparentemente sem relação com o foco de incêndio original, pela movimentação da fumaça dentro do ambiente.

Como a fumaça é um bom meio de propagação do calor por

convecção e estará presente nos incêndios, é necessário que os bombeiros envidem esforços no sentido de não permitir que a massa aquecida atinja outras superfícies ou ambientes preservados durante a ação de combate a incêndio.

Logo eles não devem permitir que sua atenção esteja voltada somente para a ação das chamas, uma vez que, freqüentemente, os danos causados pela convecção – ação do calor e da fuligem – são muito maiores que os danos causados pela ação direta das chamas.

Em uma situação típica de convecção natural, há o exemplo da corrente de ar quente sobre uma superfície de água congelada. A transferência de calor por condução nessa superfície depende da diferença de temperatura, ΔT, próxima a ela. Pela lei da condução, a transferência de calor, proveniente do ar sobre a superfície gelada, é dada pela equação:

 Na qual l é a distância entre as temperaturas correspondentes

O fluxo de calor, até um anteparo sobre a superfície congelada, é dado por:

Tendo em vista que a corrente de ar encontra-se em movimento e não possui dimensões definidas como os materiais sólidos, a expressão de Fourier não permite que seja calculada a quantidade de calor transferida em função do contato entre dois fluidos ou entre um fluido e um sólido.

Portanto, a avaliação de como se dá a transferência de calor entre esses dois meios depende de dois processos básicos que estão presentes: as características do movimento do ar em torno da superfície de água gelada e como o calor é transportado pelo fluxo de ar. A solução analítica para esse problema, ainda que considerada apenas uma direção, é de razoável complexidade.

De maneira sucinta, será apresentado neste manual somente o parâmetro que reúne esses efeitos, o coeficiente de transferência de calor convectivo, representado por h.

Daqui por diante, a equação que determina o fluxo de calor por convecção em uma superfície é dada por:

Como no caso da condução, as soluções de problemas reais de convecção são obtidas com o emprego de processamento computacional de métodos numéricos específicos. Para os objetivos deste trabalho, são apresentadas soluções empíricas para situações típicas presentes nos incêndios. A tabela a seguir mostra o coeficiente de transferência de calor convectivo em algumas condições ambientais:

Convecção é a transferência de calor nos fluidos, pelo movimento de massa de um meio líquido ou gasoso, causada pela diferença de densidade entre moléculas quentes e frias, fazendo com que as partículas aquecidas  subam e as frias desçam.

É importante não confundir a convecção com a Lei de Fick, falada anteriormente na chama difusa. Enquanto esta trata da difusão dos gases (combustível e comburente), saindo de uma zona de alta para uma zona de baixa concentração; na convecção há apenas diferença de densidade, com a ocorrência de deslocamento ascendente de fluido aquecido, o que não ocorre com a difusão.

O fluxo de calor convectivo será maior em ambientes confinados (em compartimentos como cômodos ou interior de veículos), devido ao empuxo e à delimitação de espaço feita por teto e paredes laterais, que faz com que a fumaça se acumule.

Empuxo é a força que atua para cima, em qualquer corpo que esteja total ou parcialmente imerso em um fluido. Essa força será igual ao peso do fluido que foi deslocado pelo corpo (Princípio de Arquimedes).

Pelos dois aspectos acima citados, a parte mais alta do cômodo estará a uma temperatura bem mais alta do que próximo ao solo, influenciando, sobremaneira, o comportamento dos bombeiros durante o combate a incêndio quanto à:

• necessidade do uso completo e correto do equipamento de proteção individual;

• necessidade de escoamento da fumaça acumulada no ambiente;

• entrada e trabalho agachado ou ajoelhado;

• utilização do jato apropriado na fumaça a fim de que a temperatura do ambiente seja estabilizada dentro da técnica adequada antes de alcançar o foco do incêndio.

Tal procedimento encontra-se presente no Módulo 3 deste manual.

Uma das características do fluido é a tendência a ocupar todo espaço disponível. Por isso, cuidado para onde a fumaça está indo em um incêndio!

Radiação térmica

É a transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas, que se deslocam em todas as direções, em linha reta e à velocidade da luz, a partir da chama. Essas ondas podem ser refletidas ou absorvidas por uma superfície, abrangendo desde os raios ultravioletas até os infravermelhos.

Figura 44 - Transferência de calor por radiação térmica

A radiação é a única forma de transferência de calor que não depende de meio material para se propagar e pode aquecer até mesmo os objetos mais distantes em um ambiente. Um exemplo clássico é o sol, que aquece a terra apesar da distância entre os dois.

A radiação é a forma de transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas.

Todos os corpos que se encontram a uma temperatura superior ao zero absoluto emitem radiação, normalmente, em pequena quantidade. A expressão que determina a intensidade de calor por radiação emitida por um corpo, a equação de Stefan-Boltzmann, é dada por:

Na qual o σ é a constante de Stefan-Boltzmann, de valor fixo (6,7x10-12 W/K4) e ε a emissividade, característica de cada tipo de material, que varia de 0 a 1. Portanto, em virtude da baixa ordem de grandeza da constante, apenas em temperaturas elevadas, um objeto pode irradiar uma quantidade significativa de calor.

Em um incêndio, o calor será irradiado em todas as direções. O material que estiver em seu caminho irá absorver o calor fornecido pelas ondas e terá sua temperatura elevada, o que poderá causar a pirólise, ou, até mesmo, fazer com que atinja seu ponto de ignição.

Para que se manifestem os efeitos da radiação térmica, é necessário que:

• a fonte de calor esteja com temperatura elevada o suficiente para produzir um fluxo de calor significativo;

• os materiais ainda não atingidos sejam capazes de absorver calor;

• os materiais retenham o calor, sem dissipá-lo (nas mesmas proporções) para o ambiente.

A intensidade da propagação do calor por radiação irá aumentar ou diminuir à medida que os materiais estejam mais próximos ou mais distantes da fonte de calor, respectivamente. Portanto, a regra prática em um combate a incêndio é: quanto maior a distância entre a fonte de calor e os outros materiais, menor será a transferência de calor por radiação.

O afastamento ou retirada dos materiais combustíveis de um ambiente incendiado pode representar uma importante ação no combate a incêndios.

Figura 45 - Transferência de calor por radiação para um ponto distante do foco

A Figura 45 mostra a ação das ondas eletromagnéticas, a partir das chamas, em direção à escada.

Em um incêndio, a fumaça transfere calor por convecção e radiação. Se o incêndio ocorre em um cômodo, o calor da fumaça e dos gases acaba sendo limitado pela presença das paredes e do teto. A seguir, o calor do teto é irradiado para baixo, fazendo com que a mobília sofra pirólise e atinja seu ponto de ignição, inflamando os materiais de uma forma generalizada (flashover).