Dispositivos de transferência de calor são ubíquos na indústria de energia, com aplicações que envolvem desde sistemas de resfriamento de equipamentos eletrônicos em ambientes compactos, a até plantas de geração de potência, sejam elas de fonte solar, fóssil, nuclear ou geotérmica. tendo em vista a vasta aplicação desses dispositivos, os fluidos de trabalho envolvidos em processos de transferência de calor operam em extensas faixas de estados termodinâmicos, tanto em fase única (líquido ou vapor), quanto em mudança de fase e, mais recentemente, em estados supercríticos. sendo assim, este trabalho tem como objetivo a investigação da otimização e controle de transferência de calor em fase única, em mudança de fase, e envolvendo fluidos supercríticos, além de suas aplicações. inicialmente, uma técnica de otimização topológica é apresentada, a qual é utilizada para análise fenomenológica de distribuições ótimas de fluxo de calor e de porosidade que maximizam a performance de trocadores de calor, com e sem meios porosos. mostra-se que é possível reduzir a temperatura máxima de um canal aquecido em até 20 % através do melhor posicionamento das fontes de calor, em até 19 % através da distribuição espacial de uma matriz porosa, a qual guia o escoamento sem afetar a queda de pressão. embora sejam diversas as aplicações que necessitam de trocadores de fase única, o coeficiente de transferência de calor nessas situações é fundamentalmente limitado. a transferência de calor por mudança de fase, por outro lado, apresenta altíssimos coeficientes de transferência de calor, em particular por durante ebulição. no entanto, dispositivos operando neste regime apresentam fortes limitações práticas no que se refere ao fluxo de calor máximo no qual o sistema pode ser operado, estando relacionado com a crise de ebulição. a fim de garantir a operação segura em alto fluxo, este trabalho apresenta uma metodologia baseada em aprendizado de máquina e inteligência artificial capaz de identificar a transição de regimes de ebulição e quantificar o fluxo de calor baseado através de visualização não-intrusiva, em baixa resolução, e em baixa velocidade. é mostrado que é possível criar um algoritmo que, através da visualização, consegue classificar regimes de ebulição com até 99 % de acurácia, além de ser possível estimar o fluxo de calor através da visualização com 13 % de erro. adicionalmente, essa metodologia pode ser utilizada para prever a transição de ebulição nucleada para ebulição em filme em menos de 10 segundos, com grande potencial de melhoria. sistemas operando a pressões elevadas, embora não estejam sujeitos a mudança de fase e, assim como ebulição, apresentam coeficientes de transmissão de calor elevados quando operando sob condições específicas, comumente relacionadas à variação de propriedades termodinâmicas. nesse contexto, este trabalho apresenta uma generalização do comportamento termohidráulico de fluidos supercríticos, a qual pode ser utilizada para o estudo fenomenológico de transferência de calor próxima ao ponto crítico e utilizada para encontrar os parâmetros operacionais que maximizam seu desempenho térmico. essa formulação é utilizada para mostrar que as condições ótimas de operação de trocadores operando com fluidos supercríticos pode ser generalizada. finalmente, o trabalho explora como a intensificação de transmissão de calor quando combinada a grande capacidade térmica de fluidos supercrítico pode ser utilizada para o desenvolvimento de sistemas de armazenamento térmico de alta densidade energética e alta potência, os quais possuem parâmetros de desempenho comparáveis a tecnologias comerciais (densidade energética de 50 kwh/m³), porém com condutância aproximadamente uma ordem de magnitude superior.