Um bloco de asbesto (
com 15 cm de altura apresenta secção transversal quadrada com 5 cm de lado na sua extremidade menor, crescendo linearmente até 40 cm em sua extremidade maior. Se a extremidade menor é mantida a 800 K , e a maior, a 300 K , calcule a taxa de transferência de calor, considerando os demais lados isolados.
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão tá pedindo! Temos um bloco de asbesto com condutividade térmica
que tem 15 cm de altura. A seção transversal desse bloco é quadrada, começando com lados de 5 cm na parte menor e aumentando linearmente até 40 cm na parte maior. A extremidade menor está a 800 K e a maior a 300 K, e os lados restantes estão isolados. Queremos descobrir qual é a taxa de transferência de calor nesse bloco. Para resolver isso, vamos usar a Lei de Fourier para condução de calor, que nos ajuda a calcular como o calor flui através de materiais.
Passo 2
Primeiro, vamos entender como a área da seção transversal
muda ao longo da altura do bloco. Sabemos que na parte inferior (menor extremidade,
) a área é
e na parte superior (maior extremidade,
) a área é
. Como a mudança é linear, podemos expressar
como:
Passo 3
Agora, vamos aplicar a Lei de Fourier para condução de calor em estado estacionário, que é dada por:
Como estamos em estado estacionário, a taxa de transferência de calor
é constante ao longo do bloco. A temperatura varia de
a
ao longo dos 15 cm de altura, então a derivada da temperatura em relação a
é:
Passo 4
Para encontrar a taxa de transferência de calor total
, precisamos integrar a equação de Fourier ao longo do comprimento do bloco. A fórmula resultante para um material com área de seção transversal variável é:
Passo 5
Vamos calcular passo a passo:
-
Converter as áreas de cm² para m²:
-
Substituir os valores na fórmula:
-
Calcular o denominador:
-
Calcular o numerador:
-
Finalmente:
Resposta
A taxa de transferência de calor é aproximadamente 1,46 W.