Efeito da Transferência de Calor na Eficiência de Copos Térmicos

Victhor Budal, 6261; Paulina Horta, 7305; Amanda Loreno, 7308; Pedro Macedo, 7893

Resumo

O estudo tem como objetivo comparar a eficiência de copos térmicos, das marcas Brasfoot e Stanley, junto à um copo americano controle, em relação à sua transferência de calor. Por meio deste trabalho, busca - se analisar a variação de temperatura em relação ao tipo de copo e tempo de exposição, inicialmente com água em temperatura e quantidade padronizadas, durante uma hora, com medições em intervalos de dez minutos. O experimento foi realizado em parcelas subdivididas e feito em blocos, comparando os efeitos dos dois fatores e da interação entre eles. Após todas as coletas de dados, foi possível observar que os fatores e a interação tiveram efeito significativo na transferência de calor e eficiência dos copos, com a conclusão de que os copos Brasfoot e Stanley são estatisticamente iguais e mais eficientes, diferentemente do copo controle.

Palavras-chave: Eficiência Térmica. Copos Térmicos. Transferência de Calor. Tempo de Exposição. Experimento em Parcelas Subdivididas.

Effect of Heat Transfer on the Efficiency of Thermal Cups

Abstract:

This study aims to compare the efficiency of thermal cups of two brands, Brasfoot and Stanley, against a control american cup, regarding their heat transfer. This work seeks to analyze the temperature variation in regard of the type of cup and exposure time, initially with water in standardized temperature and quantity, for one hour, at ten minute intervals. The experiment was performed in split-plot and organized in blocks, comparing the effects of the two factors and their interaction. After collecting all the data, it was possible to observe that the factors and their interaction had a significant effect on the heat transfer and cup efficiency, concluding that Brasfoot and Stanley cups are statistically similar and more efficient, unlike the control cup

Keywords: Thermal Efficiency. Thermal Cups. Heat Transfer. Exposure Time. Split-Plot Experiment.

1. Introdução

O calor é uma forma de energia associada à temperatura, ocorrendo devido ao movimento de partículas. É a energia em trânsito devido à diferença de temperatura, e sempre que existir essa diferença em um meio ou entre meios ocorrerá a transferência de calor (QUITES; LIA, 2005). Segundo Schmidt, Henderson e Wolgemuth (1996), o potencial que induz a troca de calor deve ser a diferença de temperaturas, e quando causado por qualquer outro potencial que não esse, então a troca de energia não pode ser chamada de calor. Os copos térmicos existem como uma maneira de dificultar essa transferência de calor, mantendo a temperatura dos líquidos em seu interior por um período prolongado. “As paredes do sistema são praticamente adiabáticas, ou seja, reduzem bastante a troca de calor entre seu conteúdo e o ambiente externo” (SILVA, 2022). O presente estudo foi feito para medir o efeito da transferência de calor na eficiência de diferentes copos térmicos, sendo eles das marcas Brasfoot e Stanley. O experimento realizado foi conduzido por parcelas subdivididas em um delineamento em blocos casualizados. Foram utilizadas duas marcas de copos térmicos e um copo americano controle, medindo a variação de temperatura no período de uma hora, a cada dez minutos. Para a obtenção dos dados foi utilizado água a temperatura de 12°C padronizada para todas as repetições e copos.

2. Materiais e Métodos

O experimento foi conduzido utilizando um delineamento em blocos casualizado e parcela subdividida, onde a resistência ao ganho de temperatura dos copos térmicos, analisados junto de um copo americano para controle e comparação de sua eficiência. Para a obtenção dos dados foi utilizado água a temperatura de 12°C padronizada para todas as repetições assim como seu volume, de 150ml para cada copo. A variável analisada foi a variação de temperatura no período de uma hora, a cada dez minutos. Três copos, dois térmicos e um americano de vidro, foram utilizados a cada repetição, totalizando 12 amostras. Para criar um ambiente com menos interferências os copos foram colocados em uma caixa térmica, sem tampa, para que tivessem exposição ao ar ambiente e isolando os de contato com outros materiais(Figura 1). A temperatura foi obtida com o uso de um termômetro infravermelho, seguindo as especificações técnicas de distância para obter a temperatura com maior precisão possível dentro dos limites do equipamento. Os resultados foram registrados em graus centigrados, proporcionando dados quantitativos sobre a variação de temperatura dos copos estudados. A cada repetição os copos foram ambientados para que não interferissem com a próxima coleta de dados

Figura 1. Demonstração do ambiente do experimento

A Análise de Variância (ANOVA) foi realizada para determinar se havia diferença entre os 3 tipos de copos (Brasfoot, Stanley e copo controle), e para analisar se os minutos influenciam na variação de temperatura de cada um dos copos, com um nível de significância de alfa igual a 5%. Foram realizados testes de normalidade e homogeneidade das variâncias para verificar a pressuposição do modelo estatístico. O Teste Tukey foi utilizado para determinar o teste de média, analisar quais médias eram estatisticamente iguais e quais se diferem. Além disso, foi conduzida a análise de regressão para verificar a relação entre a temperatura dos copos sob diferentes tempos (fator “Minutos”).

3. Resultados e Discussão

3.1. Análise de Variância

Os resultados da ANOVA revelam que minutos, tipo de copo e a interação minutos*tipo de copo apresentam significância estatística, com um p-valor extremamente baixo de 2^-16. Esse valor de p-valor sugere fortemente a rejeição da hipótese nula, indicando que existe uma diferença significativa entre os grupos analisados.

Tabela 1. ANOVA dos efeitos da transferência de calor na eficiência de copos térmicos

Os tipos de copo influenciam na variação da temperatura, o tempo do líquido no copo também influencia na variação da temperatura. A análise estatística realizada por meio da ANOVA indica uma relação estatisticamente significativa entre os tipos de copos e os minutos analisados no experimento.

Os resultados sugerem que quanto maior o tempo do líquido no copo, mais aumenta a temperatura da água no recipiente. Vê-se que nos copos Brasfoot e Stanley essa variação na temperatura é bem pequena, mostrando que de fato os copos térmicos influenciam nessa variação, de modo a manter a temperatura inicial do líquido pelo maior tempo possível.

Os copos térmicos têm uma câmara interna e outra externa de plástico ou metal, separadas por duas camadas de aço inoxidável ou vidro com vácuo entre elas, o aço é revestido com uma camada refletiva. Desta forma, entendemos melhor o por que de tanta diferença na variação de temperatura do copo controle em relação aos copos térmicos (Brastfoot e Stanley), haja vista que a função do copo térmico é que a transferência de calor do copo seja o mais próximo possível de nula.

3.2. Análise das Pressuposições

A inspeção gráfica dos resíduos confirmou que as condições de normalidade e homogeneidade foram cumpridas, reforçando os achados da ANOVA (Figura 2). A avaliação visual dos resíduos é fundamental para confirmar essas premissas. Vários tipos de gráficos, incluindo o gráfico de probabilidade normal, histogramas, gráficos de dispersão e gráficos de resíduos, foram utilizados para detectar potenciais padrões ou inconsistências que poderiam indicar desvios das premissas. Se esses critérios não fossem cumpridos, seriam consideradas modificações no modelo para garantir a validade e a confiabilidade dos achados da ANOVA.

Figura 2. Análise gráfica de resíduos, evidenciando a validade dos pressupostos de normalidadde e homogeneidade do erro experimental

3.3. Testes de Médias

Os resultados do teste de Tukey (Figura 3) indicam que um dos tratamentos possui diferença estatisticamente significativa em relação aos demais tratamentos. A análise é feita baseada nas médias dos grupos, os grupos que possuem letras iguais são considerados estatisticamente iguais (contraste menor que a DMS). No estudo em questão, a análise do teste tukey sugere que os tipos de copos Brasfoot e Stanley são estatisticamente iguais dentro de todos os minutos analisados no experimento, enquanto o copo controle é diferente de ambos, em todos os minutos

Figura 3. Comparação entre os diferentes tipos de copos e sua influência na temperatura. As médias que são seguidas pela mesma letra não apresentam diferença estatística significativa pelo Teste de Tukey (alfa = 0,05). Este gráfico foi gerado a partir de uma análise de variância (ANOVA) que levou em consideração os minutos, o tipo de copo e o bloco. O eixo y representa a temperatura, enquanto o eixo x representa os diferentes tipos de copos.

Analisando as médias, vê-se que além do copo Brasfoot e do copo Stanley serem estatisticamente iguais dentro do teste tukey, a média que se difere, que é o copo controle, possui média maior que os demais dentro de todos os níveis do fator “Minutos”, evidenciando assim, a diferença entre um copo comum e um copo térmico em relação à transferência de calor e variação de temperatura. Os copos térmicos possuem maior eficiência, maior estabilidade da temperatura e menor transferência de calor ao serem comparados a copos comuns.

4. Conclusão

O experimento revela que tanto o tipo de copo, quanto o tempo de exposição tem efeito significativo na transferência de calor e eficiência dos copos térmicos, assim como a interação entre os dois fatores também é significativa. De acordo com a análise de variância, existem diferenças significativas nos níveis de tipo de copo e de minutos, o que indica que as marcas diferentes influenciam na transferência de calor de forma distinta, assim como o tempo passado em minutos também tem impacto nas propriedades térmicas dos copos. Em relação a interação dos tipos de copo e minutos, os modelos polinomiais de regressão mostraram que a relação entre o tempo e a eficiência térmica podem variar de acordo com o tipo de copo utilizado. Para fazer a análise dos tipos de copo nos diferentes intervalos de tempo, foi utilizado o teste Tukey, que apresentou diferenças significativas. Ao desdobrar o tipo de copo dentro de cada nível de minutos, observamos que o copo controle se difere dos copos Brasfoot e Stanley, que apresentam resultados estatisticamente iguais. A eficiência térmica com maior destaque varia dependendo dos fatores e sua interação. Assim, observamos que estatisticamente os copos Brasfoot e Stanley são mais eficientes que o copo controle. Os resultados tem importância para setores da indústria voltados à eficiência térmica de copos, fornecendo informações para a otimização do design dos copos, assim como ajuda consumidores na hora da decisão de qual marca escolher. A apresentação de variáveis que influenciam a eficiência ajuda na tomada de decisões na produção e seleção de copos térmicos.

5. Referências Bibliográficas

QUITES, Eduardo Emery Cunha; LIA, Luiz Renato Bastos. Introdução à transferência de calor. São Paulo, 2005.

SCHMIDT, Frank W.; HENDERSON, Robert E.; WOLGEMUTH, Carl H. Introdução às ciências térmicas: Termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. São Paulo: Blucher, 1996.

SILVA, Mateus Teodoro Santos. TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM COPOS TÉRMICOS: um estudo de caso do copo Stanley®️. 2022. 38 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Mecânica, Fepesmig, Varginha, 2022.

LANCELLOTTI, Gabrielle. Como funciona um copo da Stanley ou outros recipientes térmicos. Disponível em: https://tecnoblog.net/responde/como-funciona-um-copo-da-stanley-ou-outros-recipientes-termicos/. Acesso em: 10 dez. 2023.