Enunciado

Considere uma janela com 300   m m   ×   300   m m em um avião. Para uma diferença de temperaturas de 80 ° C entre as superfícies interna e externa da janela, calcule a perda térmica através de janelas com L   =   10   m m de espessura de policarbonato, de vidro cal-soda e de aerogel, respectivamente. As condutividades térmicas do aerogel e do policarbonato são   k a g   =   0,014   W / ( m   ·   K ) e k p c   =   0,21   W / ( m   ·   K ) , respectivamente. Avalie a condutividade térmica do vidro cal-soda a 300   K . Se o avião tiver 130 janelas e o custo para aquecer o ar da cabine é de $ 1 / ( k W   ·   h ) , compare os custos associados às perdas térmicas através das janelas em um voo intercontinental de 8 horas.

Passo 1

Bora pra mais umas questão?! Nessa, nós temos a área transversal e espessura de uma janela de avião, assim como a diferença de temperatura fora e dentro do avião. Supõe que a janela é feita de três matérias diferentes: policarbonato, vidro cal-soda e aerogel, suas condutividades térmicas foram dadas.

0,3 m

0,3 m

L= 0,01 m

T = 80 °C

qx

Aqui, nós queremos encontrar as perdas de calor da superfície, para cada material. E calcular o custo para aquecer a cabine durante as 8h de viagem do avião contendo 130 janelas, também para cada material, show? Então vamos lá!

Passo 2

Para resolver essa questão precisamos utilizar a Lei de Fourier:

q x = k A ∆ T ∆ x

Cada material possui uma condutividade térmica diferente, portanto os valores de perda térmica, também, serão diferentes e precisamos calcular para cada material.

Para Aerogel:

k a g = 0,014   W m K

Substituindo os dados na equação de Fourier, temos:

q x , a g = k A ∆ T ∆ x = 0,014   W m K ×   0,09   m 2   × 80   ℃ 0,01   m = 10,08   W

Já para Policarbonato:

k p c = 0,021   W m K

q x , p c = k A ∆ T ∆ x = 0,21   W m K   ×   0,09   m 2   ×   80   ℃ 0,01   m = 151,2   W

Por fim, para o vidro cal-soda o valor da condutividade térmica foi retirado da Tabela A.3: propriedades termofísicas de materiais comuns. Então, o valor de k para o vidro cal-soda, a 300   ° C é:

k v s = 1,4   W m K

q x , v s = k A ∆ T ∆ x = 1,4   W m K   ×   0,09   m 2   ×   80   ℃ 0,01   m = 1008   W

Passo 3

A questão também pede para calcular o custo para aquecer um avião com 130 janelas durante um voo de 8 h , considerando os três materiais citados anteriormente. Nós já obtivemos os valores de perda térmica para cada material para UMA janela, e foi fornecido na questão o valor de custo por 1 h de voo $ 1 / ( k W   ·   h ) . Então, basta apenas multiplicar pelo número total de janelas e pela quantidade de horas de voo.

Para Aerogel:

A e r o g e l = $   1 k W h   × 10,08   x   10 - 3       k W   ×   130   j a n e l a s   ×   8   h

A e r o g e l = $   10,48

Para Policarbonato:

P o l i c a r b o n a t o = $   1 k W h   × 151,2   x   10 - 3   k W   ×   130   j a n e l a s   ×   8   h

P o l i c a r b o n a t o = $   157,25

Para o vidro cal-soda

V i d r o   c a l - s o d a = $   1 k W h   ×   1008   x   10 - 3   k W   ×   130   j a n e l a s   ×   8   h

V i d r o   c a l - s o d a = $   1048,3

Resposta

q x , a g = 10,08   W ;   q x , p c = 151,2   W ;     q x , v s = 1008   W

Custo:

A e r o g e l = $   10,48 ,

P o l i c a r b o n a t o = $   157,25 ,

  V i d r o   c a l - s o d a = $   1048,3  

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