Em uma aplicação específica que envolve o escoamento de ar sobre uma superfície aquecida, a distribuição de temperaturas na camada-limite pode ser aproximada por:
onde é a distância normal à superfície e o número de Prandtl, , é uma propriedade adimensional do fluido. Sendo , qual é o fluxo térmico na superfície e o coeficiente de transferência de calor por convecção?
Passo 1
Beleza, vamos resolver esse exercício sobre transferência de calor em um fluxo de ar sobre uma superfície aquecida. A gente vai precisar entender a distribuição de temperaturas na camada-limite e usar algumas propriedades físicas como o número de Prandtl. Nosso objetivo é encontrar o fluxo térmico na superfície e o coeficiente de transferência de calor por convecção.
Passo 2
Primeiro, vamos olhar a fórmula que descreve a distribuição de temperaturas na camada-limite:
Aqui, é a temperatura em uma distância da superfície, é a temperatura da superfície, é a temperatura do fluido distante, é o número de Prandtl, é a velocidade do fluxo, e é a viscosidade cinemática.
Passo 3
Nosso foco é encontrar o fluxo térmico na superfície, que depende do gradiente de temperatura na superfície (). Para isso, precisamos derivar a expressão de em relação a .
Primeiro, reescrevemos a equação para :
Passo 4
Agora, vamos derivar em relação a :
Simplificando:
Na superfície, , então:
Passo 5
O fluxo térmico na superfície (q'') é dado por:
q'' = -k dTdy|y=0
Substituindo a derivada que encontramos:
q'' = -k (Tinfty - Ts) Pr uinftynu
Como estamos considerando que o fluxo está entrando na superfície, podemos ignorar o sinal negativo:
q'' = k (Tinfty - Ts) Pr uinftynu
Passo 6
O coeficiente de transferência de calor por convecç��o (h) relaciona o fluxo térmico à diferença de temperatura:
q'' = h (Tinfty - Ts)
Comparando com a expressão anterior:
h = k Pr uinftynu
Resposta
O fluxo térmico na superfície é de q'' = k times 0,7 times 5000 , W/m²² e o coeficiente de transferência de calor por convecção é h = k times 0,7 times 5000 , W/(m²·K)². Para valores numéricos completos, é necessário conhecer a condutividade térmica k do ar.