Ao analisar o desempenho de um sistema térmico, o engenheiro tem que ser capaz de identificar os processos de transferência de calor relevantes. Somente então o comportamento do sistema pode ser devidamente quantificado. Nos sistemas a seguir, identifique os processos pertinentes, indicando-os com setas apropriadamente identificadas em um esquema do sistema. Responda, ainda, a perguntas adicionais que são feitas no enunciado do problema.

1. Para evitar o congelamento da água líquida no interior da célula a combustível de um carro, a água é drenada para um tanque de armazenamento a bordo do carro quando ele não se encontra em uso. (A água é transferida do tanque para a célula a combustível quando o carro é ligado.) Considere um carro que usa célula a combustível, que se encontra estacionado ao ar livre em uma noite muito fria, com . O tanque de armazenamento está inicialmente vazio e a , quando água líquida, a pressão atmosférica e temperatura , é introduzida no tanque. A parede do tanque tem uma espessura e é coberta por um isolamento térmico com espessura tiso. Identifique os processos de transferência de calor que irão causar o congelamento da água. Haverá modificação na probabilidade de congelamento com a mudança da espessura do isolamento? A probabilidade de congelamento dependerá da espessura da parede do tanque e do material do tanque? Seria o congelamento da água mais provável se a tubulação usada para transferir água do tanque e para o tanque fosse feita de plástico (baixa condutividade térmica) ou de aço inoxidável (condutividade térmica moderada)? Há um formato de tanque ótimo que minimizaria a probabilidade da água congelar? O congelamento seria mais ou menos provável se uma fina folha de papel-alumínio (alta condutividade térmica e baixa emissividade) fosse aplicada sobre a superfície externa do isolamento?

Fazendo um esquemático do projeto, temos:

A resposta térmica da água pode ser analisada através da divisão do processo de resfriamento em duas partes. Primeira Parte: Esperamos que a massa de água seja maior do que a massa do tanque. Por experiência, não esperamos que a água congele completamente imediatamente após o enchimento do tanque. Assumindo uma transferência insignificante de calor através do isolamento ou da tubulação de transferência durante este período inicial de resfriamento rápido da água, nenhuma transferência de calor para o ar acima da água, e assumindo o comportamento isotérmico da água e do tanque a qualquer instante, um balanço de energia em um volume de controle ao redor da água produziria

Um balanço de energia em um volume de controle ao redor do tanque renderia

Onde,

Combinando essas equações, temos:

Segunda parte: Os processos de transferência de calor que promovem o congelamento da água incluem:

-transferência de calor através do isolamento para o ar frio

- perda de calor por condução para cima através da parede do tubo de transferência.

Como a espessura do isolamento, as latas, é aumentada, a lei de Fourier indica que as perdas de calor da água são reduzidas, diminuindo a velocidade a que a água esfria a medida que a espessura da parede do tanque, , é aumentada, a massa da parede do tanque aumenta. Isto, juntamente com o aumento do calor específico da parede do tanque, servirá para reduzir a temperatura média, T, para um valor mais baixo, como é evidente pela inspeção Eq. (4). Este efeito, baseado na primeira lei da termodinâmica, diminuiria o tempo necessário para resfriar a água até a temperatura de congelamento. Como a espessura da parede do tanque é aumentada, porém, as perdas de calor por condução através da parede do tanque diminuiriam, como mostra a inspeção da lei de Fourier, retardando o processo de resfriamento. Como a condutividade térmica da parede do tanque é reduzida, isto também diminuirá a taxa de resfriamento da água. Portanto, o efeito da espessura da parede do tanque poderia aumentar ou diminuir a taxa de resfriamento da água. Como a condutividade térmica da tubulação de transferência é aumentada, as perdas de calor da água para cima através da parede do tubo irão aumentar. Isto sugere que o uso de plástico para a tubulação de transferência retardaria o resfriamento da água.