A distribuição de temperaturas, em regime estacionário, em uma parede unidimensional com condutividade térmica e espessura tem a forma . Desenvolva expressões para a taxa de geração de calor por unidade de volume na parede e para os fluxos térmicos em suas duas superficies .
Passo 1
Beleza, vamos resolver esse exercício juntos! A gente está trabalhando com transferência de calor, especificamente condução térmica em uma parede unidimensional em regime estacionário. A temperatura na parede é dada por uma função cúbica: $ T = a x^3 + b x^2 + c x + d $. Nosso objetivo é encontrar duas coisas:
Taxa de geração de calor por unidade de volume na parede.
Fluxos térmicos nas duas superfícies da parede, ou seja, em $ x = 0 $ e $ x = L $.
Para isso, vamos precisar usar a Lei de Fourier da condução de calor e entender um pouquinho de cálculo, como derivadas.
Passo 2
Primeiro, vamos achar a taxa de geração de calor por unidade de volume, que é basicamente quanto calor está sendo criado ou absorvido em cada pedacinho da parede.
A gente sabe que, em regime estacionário (onde as condições não mudam com o tempo), a distribuição de temperatura é governada pela equação de condução de calor de Fourier com geração interna de calor:
Onde:
$ \frac{d^2 T}{dx^2} $ é a segunda derivada da temperatura em relação à posição $ x $,
$ q’’’ $ é a taxa de geração de calor por unidade de volume,
$ k $ é a condutividade térmica da parede.
Vamos calcular as derivadas da função de temperatura $ T = a x^3 + b x^2 + c x + d $:
Primeira derivada (primeira taxa de variação da temperatura):
Segunda derivada (segunda taxa de variação da temperatura):
Agora, substituímos na equação de Fourier:
Resolvendo para $ q’’’ $:
Então, a taxa de geração de calor por unidade de volume é:
Passo 3
Agora, vamos encontrar os fluxos térmicos nas duas superfícies da parede ($ x = 0 $ e $ x = L $).
A Lei de Fourier também nos diz que o fluxo térmico $ q $ é proporcional ao gradiente de temperatura:
Isso significa que o fluxo térmico depende da derivada da temperatura em relação à posição.
Vamos calcular o fluxo em $ x = 0 $:
Primeiro, usamos a primeira derivada da temperatura:
Em $ x = 0 $:
Então, o fluxo térmico em $ x = 0 $ é:
Agora, vamos calcular o fluxo em $ x = L $:
Então, o fluxo térmico em $ x = L $ é:
Resposta
A taxa de geração de calor por unidade de volume na parede é:
E os fluxos térmicos nas superfícies da parede são: