Enunciado

A energia transferida da câmara anterior do olho através da córnea varia consideravelmente dependendo do uso ou não de uma lente de contato. Trate o olho como um sistema esférico e suponha o sistema em regime estacionário. O coeficiente convectivo h e permanece inalterado com ou sem a presença da lente de contato. A córnea e a lente cobrem um terço da área da superfície esférica.

Os valores dos parâmetros que representam essa situação são os seguintes:

r 1 = 10,2   m m r 3 = 16,5   m m T ∞ , i = 37 ° C k 1 = 0,35   W / ( m K ) h i = 12   W / ( m 2 K ) r 2 = 12,7   m m T ∞ , e = 21 ° C k 2 = 0,80   W / ( m K ) h e = 6   W / ( m 2 K )

(a) Construa os circuitos térmicos, identificando todos os potenciais e escoamentos para os sistemas com e sem a lente de contato. Escreva as resistências em termos dos parâmetros apropriados.

(b) Determine a perda de calor da câmara anterior, com e sem a lente de contato.

(c) Discuta a implicação de seus resultados.

Passo 1

O item (a) nos pede para desenhar os circuitos térmicos para as condições com e sem lente de contato. Vamos começar pela situação sem lente de contato. Para este caso, teremos convecção interna, condução na córnea e convecção externa. Antes de irmos para os cálculos vale ressaltar que temos que considerar o sistema como um terço de esfera. Tudo bem?

As resistências de convecção são dadas por:

R c o n v , 1 = 1 h i A s , i

R c o n v , 1 = 1 12 × 4 3 π r 1 2

R c o n v , 1 = 191,2   K / W

R c o n v , 2 = 1 h e A s , e

R c o n v , 2 = 1 6 × 4 3 π r 2 2

R c o n v , 2 = 246,7   K / W

E a resistência condutiva será:

R c o n d = 3 × 1 r 1 - 1 r 2 4 π k 1

R c o n d = 3 × 1 10,2 × 10 - 3 - 1 12,7 × 10 - 3 4 π × 0,35

R c o n d = 13,16   K / W

E o circuito para essa situação é:

Passo 2

Continuando o item (a) vamos agora desenhar o circuito térmico considerando a presença das lentes. Neste caso, teremos a adição de uma resistência à condução na lente, além das outras três resistências que também estavam presentes no caso anterior (convecção interna e externa e condução na córnea). Então, nossas resistências serão:

R c o n v , 1 = 1 h i A s , i

R c o n v , 1 = 1 12 × 4 3 π r 1 2

R c o n v , 1 = 191,2   K / W

R c o n v , 2 = 1 h e A s , e

R c o n v , 2 = 1 6 × 4 3 π r 3 2

R c o n v , 2 = 146,15   K / W

E as resistências condutivas serão:

R c o n d , 1 = 3 × 1 r 1 - 1 r 2 4 π k 1

R c o n d , 1 = 3 × 1 10,2 × 10 - 3 - 1 12,7 × 10 - 3 4 π × 0,35

R c o n d , 1 = 13,16   K / W

E

R c o n d , 2 = 3 × 1 r 2 - 1 r 3 4 π k 2

R c o n d , 2 = 3 × 1 12,7 × 10 - 3 - 1 16,5 × 10 - 3 4 π × 0,8

R c o n d , 2 = 5,41   K / W

O circuito de resistências para o caso em que há lentes é:

Passo 3

Vamos agora para o item (b). Devemos determinar a perda de calor para cada situação. Começando pela situação sem as lentes de contato, a resistência total é:

R T , 1 = R c o n v , 1 + R c o n d + R c o n v , 2

R T , 1 = 191,2 + 13,16 + 246,7 = 451,1   K / W

Então a perda de calor para o primeiro caso é:

q 1 = ∆ T R T , 1

q 1 = 37 - 21 451,1 = 0,0355   W

Vamos agora para a condição em que há lentes. Nesta condição a resistência equivalente é:

R T , 2 = R c o n v , 1 + R c o n d , 1 + R c o n d , 2 + R c o n v , 2

R T , 2 = 191,2 + 13,16 + 5,41 + 146,15 = 355,9   K / W  

E a perda de calor para este sistema é:

q 2 = ∆ T R T , 2

q 2 = 37 - 21 355,9 = 0,045   W

O item (c) pede avaliar o resultado no item (b). Podemos ver que a adição das lentes de contato causa um aumento da taxa de transferência de calor. A explicação para isso é que o raio 3 é menor que o raio crítico para o sistema.

Resposta

(a) Sem lentes:

Com lentes:

(b) Sem lentes: q = 0,0355   W

Com lentes: q = 0,045   W

(c) Como r 3 é menor que o raio crítico para esse sistema, a adição das lentes gera um aumento da taxa de perda de calor.

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