Obtenha uma expressão para a pressão interna em uma bolha em função do raio, a partir de um balanço de forças de pressão e tensão superficial.
Passo 1
Primeiro, vamos entender o que a questão está pedindo. Precisamos encontrar uma expressão para a pressão interna em uma bolha em função do seu raio. Para isso, vamos usar o balanço de forças que envolve a pressão interna e a tensão superficial da bolha. Vamos precisar conhecer os conceitos de pressão e tensão superficial para resolver esse problema.
Passo 2
Vamos lembrar o que é tensão superficial. É a força que atua na superfície de um líquido, fazendo com que ele se comporte como se estivesse coberto por uma membrana elástica. Essa força é representada pela letra grega γ (gamma) e tem unidades de N/m (newtons por metro).
Passo 3
Agora, consideremos a bolha. Ela tem uma superfície esférica com raio R. A tensão superficial atua ao longo dessa superfície, tentando reduzir a área da bolha. Por outro lado, a pressão interna (P) está empurrando para fora, tentando aumentar o raio da bolha.
Passo 4
Para que a bolha esteja em equilíbrio, as forças de tensão superficial devem equilibrar a força da pressão interna. Vamos calcular cada uma dessas forças.
Passo 5
A força devido à pressão interna pode ser calculada multiplicando a pressão P pela área da superfície da bolha. A área de uma esfera é dada por:
Então, a força da pressão interna é:
Passo 6
A força devido à tensão superficial atua ao longo da linha onde a superfície da bolha está tensionada. Em uma esfera, a força total da tensão superficial é a tensão γ multiplicada pela circunferência da esfera:
Aqui, o fator 2 vem do fato de que a tensão atua em ambas as interfaces da bolha (entrada e saída).
Passo 7
Para o equilíbrio das forças, a força da pressão interna deve igualar a força da tensão superficial:
Passo 8
Agora, vamos resolver essa equação para encontrar a pressão P em função do raio R:
Resposta
A expressão para a pressão interna
em uma bolha em função do raio
é:
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no instante
.
Uma indústria contratou você para dimensionar uma estufa a qual deverá ter formato cúbico de 1 m de lado e ser construída de aço (
, com 10 mm de espessura.
isolamento deverá ser de lã de vidro
e resvestida de plástico
de 10 mm de espessura. O calor fornecido para dentro da estufa será inteiramente gerado por resistências elétricas de
, pelas quais passará uma corrente de
). Não é permitida uma perda de calor superior a
do calor gerado. Sabendo-se que as temperaturas nas faces das paredes, interma e externa, são respectivamente
e
, pede-se: