MODELAMENTO DO ACOPLAMENTO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM MATERIAIS NANOPOROSOS

INTRODUÇÃO: Este trabalho investigou a condutividade térmica efetiva (𝑘𝑒𝑓𝑒) em materiais nanoporosos, como aerogéis, por meio da modelagem dos mecanismos acoplados de transferência de calor: condução gasosa, condução sólida e radiação. Objetivos: O objetivo principal foi avaliar a precisão de diferentes modelos teóricos e numéricos na previsão do desempenho de isolantes térmicos avançados, validando-os contra dados experimentais da literatura. OBJETIVOS: O objetivo principal foi avaliar a precisão de diferentes modelos teóricos e numéricos na previsão do desempenho de isolantes térmicos avançados, validando-os contra dados experimentais da literatura. MATERIAIS E MÉTODO: A metodologia adotou uma abordagem dupla: primeiramente, desenvolveu-se uma simulação numérica em Python para modelar o comportamento de partículas de gás em um nanoporo, validando a física do efeito Knudsen, que reduz a condutividade gasosa devido ao confinamento do fluido. Em segundo lugar, realizou-se uma análise comparativa de seis modelos analíticos da literatura (Russell, Schuetz & Glicksmann, Bruggemann, Ahern, Baillis e Leach) para prever a 𝑘𝑒𝑓𝑒. RESULTADOS: Os resultados indicaram que os modelos de Russell e Schuetz & Glicksmann forneceram as previsões mais precisas para materiais de alta porosidade, em comparação com benchmarks experimentais. Em contrapartida, o modelo de Baillis, embora fisicamente mais robusto por incorporar o efeito Knudsen, subestimou drasticamente a condutividade. Essa falha não reside na física do modelo, mas na sua aplicação com a premissa muito simplificada de um tamanho de poro único, o que superestimou o efeito de confinamento do gás e revelou que uma física de segunda ordem não compensa uma representação estrutural inadequada. A fraqueza metodológica mais significativa foi a modelagem da transferência de calor por radiação. A modelagem da transferência de calor por radiação produziu resultados fisicamente irrealistas, apontando uma falha metodológica na estimativa do coeficiente de extinção. CONSIDERAÇÕES FINAIS: estudo conclui que, para a modelagem térmica precisa de aerogéis, a representação fiel dos parâmetros estruturais, especialmente a porosidade e a distribuição do tamanho dos poros, é mais crítica do que a sofisticação dos submodelos físicos aplicados a geometrias idealizadas. A hierarquia de sensibilidades dos parâmetros é fundamental para o desenvolvimento de modelos preditivos eficazes.

PALAVRAS-CHAVE: Aerogel; Python; Livre caminho médio; Modelagem númerica; Condutividades térmica efetiva.