Uma frigideira é esquecida sobre uma placa quente. Assumindo que o fundo da frigideira está sujeita a um fluxo de calor constante. A temperatura ambiente é T e coeficiente de calor por convecção iguais a . A condutividade térmica, espessura, raio e comprimento da frigideira são iguais a e L, respectivamente. Encontre a distribuição de temperatura da frigideira.
Passo 1
Então, vamos lá! A gente tem uma frigideira esquecida sobre uma placa quente. O fundo da frigideira está recebendo um fluxo de calor constante. A temperatura ambiente é e o coeficiente de convecção é . Além disso, sabemos a condutividade térmica , a espessura , o raio e o comprimento da frigideira. Nosso objetivo aqui é descobrir como a temperatura varia dentro da frigideira, ou seja, encontrar a distribuição de temperatura.
Passo 2
Primeiro, precisamos entender que estamos lidando com transferência de calor por condução e convecção. A condução de calor dentro do material da frigideira pode ser descrita pela equação de condução de calor estática:
Onde é a temperatura e é a posição dentro da frigideira.
Passo 3
Como a equação é igual a zero, isso significa que a segunda derivada da temperatura em relação a é zero, indicando que a temperatura varia linearmente ao longo da espessura da frigideira. Portanto, a solução geral para a temperatura é:
Onde e são constantes que precisamos determinar usando as condições de contorno.
Passo 4
Vamos aplicar as condições de contorno. No fundo da frigideira (), temos um fluxo de calor constante . A relação entre fluxo de calor e a derivada da temperatura é dada por:
Substituindo nossa expressão para :
Então:
Passo 5
A outra condição de contorno está na superfície da frigideira ( - k dTdx |x=de), onde ocorre transferência de calor por convecção para a temperatura ambiente - k ( -qk ) = h1 ( -qk de. A condição de convecção é dada por:
q = h1 ( -qk de
Substituindo e :
Simplificando:
Passo 6
Vamos resolver para q = -h1 q de:
h1 C2 = q + h1 q de
Isolando C2 = qh1 + q de:
Dividindo tudo por :
Passo 7
Agora temos as constantes T(x) = -qk x + ( qh1 + q de e T(x) = Tinfty + qh1 + q de. Vamos substituir de volta na expressão para :
Simplificando:
Passo 8
Podemos reorganizar os termos para deixar a expressão mais clara:
T(x) = Tinfty + qh1 + qk (de
Resposta
A distribuição de temperatura da frigideira é dada por: