telhado de uma casa tem laje de concreto de 22 cm de espessura (
), 15 metros de largura e 20 m de comprimento. A emissividade da superfície externa do telhado é de 0,9, e o coeficiente de transferência de calor por convecção dessa superfície é estimado em
. A superfície interna do telhado é mantida a
. Em uma noite clara de inverno, o ar ambiente está a
, enquanto a temperatura noturna do céu, para trocar calor por radiação, é de 225 K. Considerando as transferências de calor por radiação e convecção, determine a temperatura da superfície externa e a taxa de transferência de calor através do telhado. Se a casa é aquecida por um forno queimando gás natural com eficiência de 85% ao custo unitário do gás natural de US$ 1,2/therm (1 therm
de conteúdo energético), determine o dinheiro perdido por meio do telhado naquela noite, por um período de 14 horas.
Passo 1
Beleza, vamos lá! A gente tem um telhado de concreto com várias informações sobre dimensões, propriedades térmicas e temperaturas internas e externas. O que precisa ser feito é descobrir qual a temperatura na superfície externa do telhado e quanta energia está escapando por ele durante a noite. Além disso, vamos calcular quanto dinheiro a gente perde por causa desse calor que está saindo. Para resolver isso, vamos usar os conceitos de transferência de calor por condução, convecção e radiação.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular a área do telhado, porque isso vai ser útil para várias partes do cálculo. A área (A) é largura vezes comprimento:
Passo 3
Agora, vamos calcular a transferência de calor por condução através da laje de concreto. A fórmula para isso é:
Onde:
-
(condutividade térmica) -
(área) -
(espessura da laje) -
é a diferença de temperatura entre as superfícies interna e externa.
Mas a gente não sabe
ainda, então vamos deixar essa parte para depois.
Passo 4
Agora, vamos considerar a transferência de calor por convecção da superfície externa do telhado para o ar ambiente. A fórmula é:
Onde:
-
(coeficiente de transferência de calor por convecção) -
-
é a diferença de temperatura entre a superfície externa e o ar ambiente.
Também não temos
aqui, então vamos guardar essa equação.
Passo 5
Além disso, temos a transferência de calor por radiação da superfície externa para o céu. A fórmula para radiação é:
Onde:
-
(emissividade) -
(constante de Stefan-Boltzmann) -
-
é a temperatura da superfície externa em Kelvin -
(temperatura do céu)
Também aqui, precisamos descobrir
.
Passo 6
Vamos agora montar uma equação que relaciona todas essas transferências de calor. No equilíbrio, o calor que entra por condução deve ser igual ao calor que sai por convecção e radiação:
Substituindo as equações:
Onde:
Passo 7
Podemos simplificar a equação dividindo todos os termos por
:
Agora, substituindo os valores conhecidos:
Passo 8
Essa equação é não-linear devido ao termo
, então vamos resolver numericamente ou usar uma aproximação. Para simplificar, podemos assumir que o termo de radiação é pequeno comparado aos outros termos e iterar para encontrar
.
Após resolver numericamente, encontramos que a temperatura da superfície externa
é aproximadamente 10,5°C.
Passo 9
Agora que temos
, vamos calcular a taxa de transferência de calor total
.
Primeiro, a condução:
Passo 10
Agora, a convecção:
Passo 11
E a radiação:
Passo 12
Somando todas as transferências de calor:
Passo 13
Agora, vamos calcular o dinheiro perdido. Sabemos que a casa é aquecida por um forno com eficiência de 85%, e o custo do gás é de US$ 1,2 por therm, onde 1 therm = 105500 kJ.
Primeiro, vamos calcular a energia perdida durante 14 horas:
Convertendo para therms:
Considerando a eficiência de 85%:
Agora, o custo:
Resposta
A temperatura da superfície externa do telhado é aproximadamente 10,5°C e a taxa de transferência de calor através do telhado é de cerca de 15.275 W. O dinheiro perdido devido a essa perda de calor naquela noite, ao longo de 14 horas, é de aproximadamente US$ 10,32.
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