A parede de um forno é composta de uma camada de de espessura de tijolos refratários ( ). A temperatura da superfície interna da parede é de . A superfície externa está em contato com o ar à temperatura ambiente . Pode-se supor que a convecção natural ao
longo da parede resulta em um coeficiente de transferência de calor .
a) Determine a perda de calor (por unidade de área) através da parede e a temperatura da superfície exterior.
b) Para diminuir as perdas de calor coloca-se uma camada de isolante ( ) entre a parede do forno e o ambiente. O isolante é segurado por uma placa de aço ( ) de de espessura. Qual deve ser a espessura mínima da camada isolante para que a temperatura da placa de aço não ultrapasse os ?
c) O isolante utilizado é danificado se for submetido de forma contínua a temperaturas superiores a . Avalie a espessura máxima aceitável da camada isolante, a perda de calor (por unidade de área) e a temperatura da placa de aço nesse caso.

Passo 1

Beleza, vamos resolver esse exercício de transferência de calor juntos! A questão fala sobre a perda de calor através da parede de um forno e como diminuir isso usando materiais com diferentes condutividades térmicas. Vamos precisar usar conceitos de condução e convecção de calor, além de entender como calcular a resistência térmica desses materiais.

Passo 2

Primeiro, vamos focar na parte a) do exercício. Queremos determinar a perda de calor por unidade de área através da parede e a temperatura da superfície externa.

Passo 3

Vamos começar identificando os dados que temos:
  • Espessura da parede,
  • Condutividade térmica dos tijolos refratários,
  • Temperatura interna,
  • Temperatura ambiente,
  • Coeficiente de transferência de calor por convecção,

Passo 4

Para encontrar a perda de calor, vamos usar o conceito de resistência térmica. A resistência total é a soma da resistência pela condução na parede e da resistência pela convecç��o na superfície externa:
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Onde:
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Passo 5

Calculando çã:
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Passo 6

Somando as resistências:

Passo 7

A diferença de temperatura entre o interior e o exterior é:

Passo 8

Usamos a fórmula da transferência de calor:

Passo 9

Agora, para encontrar a temperatura da superfície externa ( ), usamos a parte da convecção:

Resposta

a) A perda de calor por unidade de área através da parede é aproximadamente e a temperatura da superfície externa é .

Exercícios relacionados

Calcule a taxa de perda de calor a partir da parede de um forno por área unitária. A parede é construída com uma camada interna de aço com de espessura ) e uma parede externa de tijolos de zircônio de . A temperatura da superfície interna é de e da superfície externa é de . Qual é a temperatura na interface? (R: 898,6 K).
Uma parede de tijolos com de espessura ( ) está exposta a um vento frio a através de um coeficiente de transferência de calor por convecção de . No outro lado, existe ar parado a , com um coeficiente de transferência de calor por convecção natural de . Calcule a taxa de transferência de calor por área unitária, isto é, o fluxo de calor. (R: 223,9 W).
Humanos são capazes de controlar suas taxas de produção de calor e de perda de calor para manter aproximadamente a sua temperatura corporal de sob uma ampla faixa de condições ambientais. Este processo é chamado de termorregulação. Com a perspectiva de calcular a transferência de calor entre um corpo humano e sua vizinhança, focamos em uma camada de pele e gordura, com a sua superfície externa exposta ao ambiente e sua superfície interna a uma temperatura um pouco abaixo da temperatura corporal, . Considere uma pessoa com uma camada de pele/gordura com espessura e com condutividade térmica efetiva de . A pessoa tem uma área superficial de está vestindo roupa de banho. A emissividade da pele é .
a) Estando a pessoa no ar em repouso a , qual é a temperatura superficial da pele e a taxa de perda de calor para o ambiente? A transferência de calor por conveç̧ão para o ar é caracterizada por um coeficiente de convecção natural ); (R: ).
b) Estando a pessoa imersa na água a , qual é a temperatura superficial da pele e a taxa de perda de calor? A transferência de calor para a água é caracterizada por um coeficiente de convecção ). (R: ).
Calcular a densidade de fluxo de calor na seção da parede (entre as linhas tracejadas), em função das resistências R1, R2, R3, e R4. Considere k1 = k2 =k4 =1,15[W/mK], k3 = 1,00 [W/m K], Profundidade = 1 [m]