Um longo fio de cobre, com de diâmetro, é exposto a uma corrente de ar a uma temperatura de 310 K . Após 30 s , a temperatura média do fio aumentou de 280 para 297 K. Usando essas informações, estime o coeficiente de transferência de calor por condução, h. . Resposta: .

Passo 1

Beleza, vamos olhar o que a questão está pedindo. Temos um fio longo de cobre com diâmetro de 0,635 cm que, após 30 segundos, teve sua temperatura média aumentada de 280 K para 297 K quando exposto ao ar a 310 K. Queremos estimar o coeficiente de transferência de calor por condução, representado por . Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de transferência de calor, especificamente condução térmica, e aplicar algumas fórmulas envolvendo propriedades do material como condutividade térmica ( ), densidade ( ) e capacidade calorífica específica ( ).

Passo 2

Primeiro, vamos entender o que está acontecendo. O fio de cobre está aquecendo porque há uma corrente passando por ele, gerando calor. Esse calor está sendo transferido para o ambiente através da superfície do fio. O aumento de temperatura do fio nos dá uma ideia de quanto calor foi gerado e dissipado.

Passo 3

Vamos calcular a quantidade de calor que foi necessário para aumentar a temperatura do fio de 280 K para 297 K em 30 segundos. Usamos a fórmula:
Onde:
  • é a massa do fio
  • é a capacidade calorífica específica
  • é a variação de temperatura

Passo 4

Primeiro, precisamos encontrar a massa do fio. Para isso, usamos a densidade e o volume do fio:
O volume de um fio cilíndrico é dado por:
Onde é o raio e é o comprimento do fio. Mas como o comprimento não é dado, podemos perceber que vamos precisar relacionar tudo de maneira que se cancele no final.

Passo 5

Agora, vamos expressar a taxa de geração de calor que está sendo transferida para o ambiente:
Onde:
  • é o coeficiente de transferência de calor que queremos encontrar
  • é a área superficial do fio
  • é a diferença de temperatura entre o fio e o ambiente

Passo 6

A área superficial de um fio cilíndrico é:
Novamente, notamos que aparece aqui e no cálculo de . Vamos ver como isso se desenvolve.

Passo 7

A energia total transferida em 30 segundos é igual à potência multiplicada pelo tempo :
Mas também temos , então podemos igualar as duas expressões:

Passo 8

Substituindo e na equação:
Podemos simplificar termos comuns:

Passo 9

Agora, isolamos :

Passo 10

Vamos agora substituir os valores fornecidos na fórmula:
Substituindo:

Passo 11

Calculando o numerador:
E o denominador:
Então:

Passo 12

Parece que chegamos a um valor de maior que o esperado. Revisando os cálculos, percebemos que podemos ter confundido os conceitos. Na verdade, o coeficiente de transferência de calor geralmente está associado à convecção, não à condução. Portanto, vamos ajustar nossa abordagem considerando que é o coeficiente de convecção.

Passo 13

Usando a fórmula de conveção:
Igualamos ao calor gerado:
Simplificando:

Passo 14

Substituindo e :
Agora, substituindo os valores:

Resposta

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