Escreva a forma da eq̧uação do calor e as condições inicial e de contorno que determinam a variação da temperatura com a posıção e o tempo, , na base da panela ao longo do Estagio 1. Expresse o seu resultado em termos dos paràmetros e , assim como das propriedades pertinentes do materıal da panela.
Passo 1
Beleza, vamos lá! Você me pediu para escrever a forma da equação do calor e as condições iniciais e de contorno que descrevem como a temperatura varia com a posição e o tempo na base da panela durante o Estágio 1. Para isso, vamos usar conceitos de transferência de calor. Precisaremos dos parâmetros (fluxo de calor), (difusividade térmica), (comprimento), (coeficiente de convecção) e (temperatura ambiente), além das propriedades do material da panela.
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar a equação do calor unidimensional, que descreve como a temperatura varia no espaço e no tempo:
Aqui, é a difusividade térmica, é a densidade do material da panela, e é a capacidade térmica específica.
Passo 3
Agora, vamos estabelecer a condição inicial. Supondo que no início () toda a panela estava na temperatura ambiente , temos:
Isso significa que, inicialmente, não há diferença de temperatura na base da panela.
Passo 4
Em seguida, precisamos definir as condições de contorno. Vamos considerar duas situações nas extremidades da base da panela:
Na posição , onde ocorre uma fonte de calor constante . Isso pode ser representado por uma condição de fluxo de calor:
Aqui, é a condutividade térmica do material da panela.
Na posição , supondo que a panela perde calor por convecção para o ambiente, temos:
Onde é o coeficiente de convecção e é a temperatura ambiente.
Resposta
Juntando tudo, a equação do calor e as condições necessárias são:
Condição Inicial:
Condições de Contorno:
Essas expressões descrevem como a temperatura na base da panela varia com a posição e o tempo , considerando os parâmetros , , , , e as propriedades do material da panela.