Enunciado

Considere o disco opaco, cinza e difuso,   A 1 , que tem um diâmetro de 10   m m , uma emissividade de 0,3 e se encontra a uma temperatura de 400   K . Coaxialmente ao disco A 1 , existe um disco negro em forma de anel, A 2 , que se encontra a 1000   K e apresenta as dimensões mostradas na figura. A parte posterior de A 2 é isolada e não irradia diretamente o disco detector, A 3 , resfriado criogenicamente. Esse disco A 3 tem diâmetro de 10   m m e está localizado a 2   m de distância de A 1 .

Calcule a taxa na qual a radiação incide sobre A 3 devido à emissão e à reflexão a partir de A 1 .

Passo 1

Oi oi oii, turubom? Nessa questão nós temos um disco opaco cinzento difuso (1) coaxial com um disco em forma de anel (2), ambos com temperaturas e emissividades prescritas, e um disco detector refrigerado (3), também posicionado coaxialmente em um local prescrito.

Com esses discos vamos calcular a taxa na qual a radiação é incidente no detector devido à emissão e reflexão de A 1 .

Passo 2

Para resolver essa questão vamos assumir:

(1) A 1 é cinza difuso;

(2) A 2 é preto;

(3) A 1 e A 3   < <   R 2 ,   a distância de separação;

(4) Δ r   < <   r i , de modo que A 2   ≈   2   π   r i   Δ r ;

(5) Parte traseira de A 2 seja isolada.

A potência radiante que deixa A 1 interceptada por A 3 tem a forma,

q 1 → 3 = J 1 π A 1 cos ⁡ θ 1 ω 3 - 1

Onde para esta configuração de A 1 e A 3 ,

θ 1 = 0 °

ω 3 - 1 = A 3 cos ⁡ θ 3 / L A + L B 2

θ 3 = 0 °

Então,

q 1 → 3 = J 1 π A 1 A 3 cos ⁡ θ 3 / L A + L B 2

E,

J 1 = ρ G 1 + ε E b T 1 = ρ G 1 + ε σ T 1 4

Passo 3

A irradiação em A 1 devido à emissão de A 2 ,   G 1 , vai ter a seguinte carinha:

G 1 = q 2 → 1 A 1 = ( I 2 A 2 cos ⁡ θ ' 2 ω 1 - 2 ) / A 1

Onde,

ω 1 - 2 = A 1 cos ⁡ θ ' 1 / R 2

É constante sobre a superfície A 2 e da geometria,

θ ' 1 = θ ' 2 = tan - 1 ⁡ r 1 + Δ r 2 L A = tan - 1 ⁡ 0,500 + 0,005 2 1,000 = 26,8 °

E,

R = L A cos ⁡ θ ' 1 = 1 m / cos ⁡ 26,8 ° = 1,12 m

Passo 4

Então,

G 1 = σ T 2 4 π A 2 cos ⁡ 26,8 ° A 1 cos ⁡ 26,8 ° 1,12 m 2 A 1 = 360,2   W / m 2

Usando,

A 2 = 2 π r i Δ r = 3,142 × 10 - 2 m 2

E,

J 1 = 1 - 0,3 × 360,2 W m 2 + 0,3 × 5,67 × 10 - 8 W m 2 . K 4 400   K 4 = 687,7   W / m 2

Então o poder radiante é,

q 1 → 3 = 687,7   W / m 2 π π 0,010 m 2 4 2 / 1 m + 1 m 2

q 1 → 3 = 337,6 × 10 - 9 W

Com isso fechamos nossa questão! 😊

Resposta

q 1 → 3 = 337,6 × 10 - 9 W

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