A Emissividade de uma Chapa de Aço Galvanizado, um material usado normalmente em telhados, é igual a
0,13 a uma Temperatura de, aproximadamente, 300 K , enquanto a Absortividade em relação à Irradiação Solar é de
. Um gato das redondezas se sentiria confortável ao andar sobre o telhado construído com este material em um dia no qual
?
Considere que a Superfície Inferior da Chapa esteja isolada termicamente.
Considere que a Superfície Inferior da Chapa esteja isolada termicamente.
Passo 1
Beleza, vamos entender o que o exercício está pedindo. A gente tem uma chapa de aço galvanizado que é usada em telhados, e são dadas algumas informações sobre como essa chapa interage com a temperatura e a luz do sol. O problema quer saber se um gato se sentiria confortável andando sobre esse telhado em um dia específico, com certos níveis de irradiação solar, temperatura ambiente e coeficiente de transferência de calor por convecção. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de transferência de calor, especificamente emissividade, absorptividade, radiação e convecção.
Passo 2
Primeiro, vamos identificar as informações que temos:
- Emissividade (ε): 0,13
- Temperatura da chapa (T): aproximadamente 300 K
- Absorptividade em relação à irradianção solar (α_s): 0,65
- Irradiação solar (G_s): 750 W/m²
- Temperatura ambiente (T_inf): 16°C, que é 289 K (convertendo para Kelvin)
- Coeficiente de convecção (h_c): 7 W/(m²·K)
Queremos saber se o gato se sente confortável, ou seja, se a temperatura da chapa não está muito alta para o gato. Para isso, vamos calcular a temperatura de equilíbrio da chapa usando a conservação de energia.
Passo 3
A conservação de energia nos diz que a energia absorvida pelo telhado deve ser igual à energia que ele perde por radiação e por convecção. Vamos escrever isso matematicamente:
Onde:
-
é a constante de Stefan-Boltzmann, que vale aproximadamente W/(m²·K⁴).
Passo 4
Vamos substituir os valores que já conhecemos na equação:
Primeiro, calculamos o lado esquerdo:
Passo 5
Agora, vamos calcular a parte da radiação:
Isso simplifica para:
E a parte da convecção:
Passo 6
Agora, juntamos tudo na equação:
Vamos rearranjar para deixar tudo igual a zero:
Passo 7
Essa é uma equação polinomial de quarto grau que pode ser complicada de resolver analiticamente. Geralmente, para resolver esse tipo de equação, usamos métodos numéricos ou uma calculadora científica. Vamos tentar uma estimativa.
Sabemos que a temperatura ambiente é 289 K, e a chapa aquece por causa do sol. Vamos supor que a temperatura da chapa esteja um pouco acima disso, digamos, 310 K.
Substituindo T = 310 K na equação:
Calculando cada termo:
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- Então:
Isso é muito menor que zero, então precisamos aumentar a temperatura. Vamos tentar T = 330 K.
Calculando novamente:
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- Então:
Ainda negativo. Vamos aumentar mais para T = 350 K.
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- Então:
Ainda negativo. Parece que nossa estimativa está muito baixa, então vamos pular para T = 400 K.
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- Então:
Ainda negativo, o que sugere que a temperatura real pode ser muito alta, o que não faz sentido. Talvez tenhamos um erro nos cálculos. Vamos refazer de forma mais precisa.
Passo 8
Vamos usar uma abordagem mais precisa. Reescrevendo a equação original:
Simplificando:
Dividindo tudo por 7:
Agora, isolamos
:
Isso ainda é complexo para resolver manualmente, então vamos usar uma aproximação ou ferramenta numérica. Contudo, para simplificar, podemos conjecturar que a contribuição da radiação
é relativamente pequena comparada à convecção e ajustar nossa estimativa.
Passo 9
Vamos considerar somente a parte de convecção para uma primeira aproximação:
Convertendo para Celsius:
Passo 10
Essa temperatura de aproximadamente 85,5°C é muito alta para um gato se sentir confortável. Normalmente, gatos preferem temperaturas próximas à ambientação e evitam superfícies muito quentes para não se queimarem.
Resposta
O gato não se sentiria confortável ao andar sobre o telhado, pois a temperatura da chapa seria cerca de 85,5 °C.