(Para todas as questões, as hipóteses adotadas devem ser mencionadas)
Em um ambiente úmido, a evaporação da água ocorre devido à transferência simultânea de calor e massa. Explique como o aumento da temperatura e da velocidade do ar influenciam esse processo.
Em um ambiente úmido, a evaporação da água ocorre devido à transferência simultânea de calor e massa. Explique como o aumento da temperatura e da velocidade do ar influenciam esse processo.
Passo 1
Beleza, aqui o enunciado diz que num ambiente úmido a água evapora por transferência simultânea de calor e massa. A gente vai falar de conceitos de transferência de calor convectivo e transferência de massa convectiva (ou difusão). Para resolver, precisamos:
- Entender que a evaporação exige calor latente.
- Relacionar fluxo de massa de vapor ao coeficiente convectivo de massa e ao gradiente de concentração.
- Relacionar fluxo de calor ao coeficiente convectivo de calor e ao gradiente de temperatura.
Hipóteses que vamos assumir: escoamento estacionário, pressão atmosférica constante, superfície plana de água, ar bem misturado (umidade e temperatura uniformes longe da superfície), negligenciamos radiação.
Passo 2
Teoria de transferência de massa convectiva
A massa de vapor que sai da superfície por unidade de área e tempo é dada por
A massa de vapor que sai da superfície por unidade de área e tempo é dada por
onde
-
é o coeficiente de transferência de massa (kg / m² s), -
é a densidade de vapor na superfície (saturada a ), -
é a densidade de vapor no ar distante.
Quanto maior, maior o fluxo de massa.
Passo 3
Teoria de transferência de calor convectiva
Para evaporar, a água precisa receber calor latente . O fluxo de calor convectivo da vizinhança do ar até a superfície é
Para evaporar, a água precisa receber calor latente
onde
-
é o coeficiente de transferência de calor convectivo (W / m² K), -
é a temperatura da superfície da água, -
é a temperatura do ar longe da superfície.
Esse calor vai para fornecer a energia necessária à mudança de fase:
Passo 4
Influência da temperatura
- Quando você aumenta
, a pressão de vapor de saturação cresce (Lei de Clausius–Clapeyron), logo aumenta e o gradiente fica maior. - Ao mesmo tempo,
diminui ou muda de sinal, mas o efeito dominante na evaporação é o aumento de .
Conclusão: mais temperatura → mais gradiente de vapor →maior.
Passo 5
Influência da velocidade do ar
- Aumentar a velocidade do ar quebra a camada limite na superfície, reduzindo a espessura da camada em que ocorrem difusão e condução.
- Isso faz crescer
e . Em geral, e são funções da velocidade via números de Nusselt e Sherwood (ex.: ). - Logo,
e sobem – a troca de massa e de calor fica muito mais eficiente.
Resposta
Resumindo de forma simples:
- Subindo a temperatura da água, você eleva a pressão de vapor de saturação, aumentanto o “empurrão” para o vapor sair (maior gradiente de concentração).
- Subindo a velocidade do ar, você destrói a camada-limite, elevando os coeficientes convectivos de calor (
) e de massa ( ), o que acelera tanto o fornecimento de calor latente quanto a remoção de vapor.
O resultado prático é que tanto mais quente quanto mais rápido o ar, mais intensa fica a evaporação.