Enunciado

Considere a transferência de calor permanente bidimensional em um longo corpo sólido cuja seção transversal é dada na Fig. P5–59. As temperaturas dos nós selecionados e as condições térmicas nos contornos são mostradas. A condutividade térmica do corpo é   k = 45 W m ∙ K , e calor é gerado no corpo uniformemente a uma taxa de e ˙ = 4 × 10 6 W m 3 . Usando o método das diferenças finitas com tamanho da malha de ∆ x = ∆ y = 4,0   c m , determine   ( a ) as temperaturas dos nós 1, 2 e 3 e ( b ) a taxa de perda de calor pela superfície inferior através da seção de 1   m de comprimento do corpo.

Passo 1

Muito bem, vamos colocar os dados do enunciado aqui:

k = 45 W m ∙ K ,   h = 50 W m 2 ∙ K ,   e ˙ = 4 × 10 6 W m 3 ,   T ∞ = 20 ° C ,   ∆ x = ∆ y = l = 4,0   c m

Para esse exercício iremos utilizar nossa formulação para diferenças finitas para malhas quadradas, ou seja, essa aqui:

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

E note que temos geração de calor, lembrando que k = 45 W m ∙ K = 45 W m ∙ ℃

e ˙ n ó l 2 k = e ˙ o l 2 k = 4 × 10 6 W m 3 0,04   m 2 45 W m ∙ K = 142,2 ℃

Passo 2

Aplicando a nossa formulação nos seguintes nós.

N ó   1 :

k l 2 240 - T 1 l + k l 290 - T 1 l + k l 2 325 - T 1 l + h l T ∞ - T 1 + e ˙ 0 l 2 2 k = 0

N ó   2 :

350 + 290 + 325 + 290 - 4 T 2 + e ˙ 0 l 2 k = 0

N ó   3 :

260 + 290 + 240 + 200 - 4 T 3 + e ˙ 0 l 2 k = 0

Passo 3

Substituindo os termos e resolvendo as equações, podemos chegar nas temperaturas:

T 1 = 281,2 ℃

T 2 = 349,3 ° C

T 3 = 283,1 ° C

Passo 4

A taxa de transferência de calor através da seção de 1   m pode ser encontrada a partir da equação:

Q ˙ = ∑ m Q ˙ e l e m e n t o , m = ∑ m h A s u p e r f í c i e , m T m - T ∞

Q ˙ = h l 2 200 - T ∞ + h l 240 - T ∞ + h l T 1 - T ∞ + h l 2 ( 325 - T ∞ )

Q ˙ =   50 W m 2 ∙ K 0.04   m   × 1 m 200   -   20 2 +   240   -   20 + 281.2   -   20 + 325   -   20 2   ° C

Q ˙ = 1447   W

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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