Enunciado

Considere uma transferência de calor permanente bidimensional em longas barras solidas de seções transversais ( a ) quadrada e ( b ) retangular, como mostrado na Fig. P5–54. As temperaturas medidas nos pontos selecionados da superfície externa são mostradas. A condutividade térmica do corpo é k = 20 W m ∙ K , e não há geração de calor. Usando o método de diferenças finitas com tamanho da malha de ∆ x = ∆ y = 1,0   c m , determine as temperaturas do meio nos pontos indicados.

( a )

( b )

Passo 1

Temos aqui um problema de condução de calor bidimensional em regime permanente, logo a formulação para esse caso é:

T e s q + T s u p + T d i r + T i n f - 4 T n ó + e ˙ n ó l 2 k = 0

Como não temos geração de calor, a equação se torna:

T e s q + T s u p + T d i r + T i n f - 4 T n ó = 0

Passo 2

( a ) Note que por simetria temos que T 3 = T 2 . Portanto precisamos equacionar somente os seguintes nós...

N ó   1 :

T 1 = 180 + 180 + T 2 + T 3 4

N ó   2 :

T 2 = 200 + T 4 + 2 T 1 4

N ó   4 :

T 4 = 2 T 2 + 2 T 3 4 = 4 T 2 4 = T 2

Resolvendo as equações, as temperaturas são:

T 2 = T 3 = T 4 = 190 ° C

T 1 = 185 ° C

Passo 3

( b ) A partir da simetria temos que T 1 = T 2 e T 3 = T 4 . Equacionando para cada nó:

N ó   1 :

T 1 = 120 + 120 + T 2 + T 3 4

N ó   2 :

T 2 = 120 + 120 + T 4 + T 1 4

N ó   3 :

T 3 = 140 + 2 T 1 + T 4 4

N ó   4 :

T 4 = 2 T 2 + 140 + 2 T 3 4

Logo as temperaturas são...

T 1 = T 2 = 122,9 ° C

T 3 = T 4 = 128,6 ° C

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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