(a) Mostre o circuito térmico que representa a situação de transferência de calor em regime estacionário. Certifique-se de que sejam identificados todos os elementos, nós e taxas de transferência de calor. Deixe na forma simbólica.
(b) Suponha as seguintes condições:
e
. Calcule o fluxo térmico
que é necessário para manter a temperatura da superfície de fixacão a
.
(b) Suponha as seguintes condições:
Passo 1
Beleza, vamos lá! O exercício tem duas partes e fala sobre transferência de calor em regime estacionário. A gente precisa desenhar um circuito térmico que representa essa situação e depois calcular o fluxo térmico necessário para manter uma certa temperatura na superfície. Para isso, vamos precisar entender alguns conceitos básicos de transferência de calor e como representá-los em um circuito térmico usando símbolos.
Passo 2
Primeiro, vamos para a parte (a). Um circuito térmico é como um diagrama elétrico, mas para calor. Nele, usamos elementos como resistências térmicas para representar obstáculos à passagem do calor, fontes de calor para indicar onde o calor está sendo fornecido ou removido, e nós para os pontos de temperatura.
Então, para representar a transferência de calor em regime estacionário:
- Fonte de calor: Representa a geração ou remoção de calor. Pode ser uma potência térmica.
- Resistência térmica: Representa a dificuldade na passagem do calor, como paredes ou materiais isolantes.
- Nós: Pontos onde as temperaturas são medidas ou controladas.
O diagrama simbólico vai ter:
- Um nó para a temperatura ambiente
. - Uma resistência térmica relacionada ao coeficiente de transferência de calor convectiva
. - Outro nó para a temperatura da superfície de fixação
. - A resistência térmica associada à transferência de calor conduzida.
- Finalmente, o fluxo térmico
que conecta tudo.
Passo 3
Agora, vamos para a parte (b). Queremos calcular o fluxo térmico
necessário para manter a temperatura da superfície de fixação
, dadas as condições:
- Temperatura ambiente
- Coeficiente de transferência de calor convectiva
- Temperatura interna
Vamos usar a equação de transferência de calor por convecção:
Como queremos o fluxo térmico por unidade de área, a equação fica:
Substituindo os valores:
Resposta
O fluxo térmico necessário é
.
Exercícios relacionados
A percepção de arrepio (resfriamento pelo vento), vivenciada em dias frios com ventos, está relacionada ao aumento da troca de calor da pele humana exposta com o ambiente circundante. Consideremos uma camada de tecido adiposo
com
de espessura, onde a temperatura interna é mantida em
. Em um dia sem vento, o coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície externa é de
, mas com ventos de
, esse coeficiente aumenta para
ambas as situações, a temperatura do ar ambiente é de -15
. Qual é a razão entre perdas de calor, por unidade de área de pele, em um dia calmo e em um dia de vento?
As paredes de refrigeradores domésticos são tipicamente constituídas de uma camada de isolante alocada entre dois painéis de folhas de metal. Considere a parede de um refrigerador feita com isolante de fibra de vidro (
e espessura
) entre dois painéis de aço (cada um com espessura
e
). Os coeficientes associados à convecção natural nas superfícies interna e externa da parede do refrigerador valem
. Com a parede separando ar refrigerado a
do ar ambiente a
, determine o ganho de calor por unidade de área superficial.
Uma casca esférica com raios interno e externo rie re, respectivamente, contém componentes internos que dissipam calor. Desse modo, num dado instante, o perfil de temperatura na casca é representado pela seguinte expressão:
onde ré a variável posição radial na casca esférica,
, e
e
são constantes.
Como o fluxo térmico e a taxa de transferência de calor variam com o raio da casca esférica?
Como o fluxo térmico e a taxa de transferência de calor variam com o raio da casca esférica?
Estime a força exercida no seu tímpano devido somente à agua acima de vociquando estiver nadando no fundo de seu timpano devidu piscina de 5 m de profundidade. Considere a imad do seu tímpano como sendo
.