Enunciado

Em um forno de convecção assistido por ventilador, a taxa de transferência de calor para um assado, Q ˙   (energia por unidade de tempo), depende, por suposição, do calor específico do ar, c p da diferença de temperatura, Θ , de uma escala de comprimento, L , da massa específica do ar, ρ , da viscosidade do ar, μ , e da velocidade do ar, V . Quantas dimensões básicas estão incluídas nestas variáveis? Determine o número de parâmetros Π necessários para caracterizar o forno. Avalie os parâmetros Π .

Passo 1

Nessa questão nós temos a relação funcional entre a taxa de transferência de calor em um forno de convecção e outros parâmetros físicos. E com essas informações vamos encontrar o número de π termos que caracterizam esse fenômeno e os π   termos

Passo 2

Para resolver essa questão usaremos o teorema pi de Buckingham. Onde encontramos que o número de parâmetros é:

n = 7

Selecionando as dimensões primárias F ,   L ,   t , T (temperatura):

r = 4

E os parâmetros repetidos:

m = r = 4

Passo 3

Então nós temos n   -   m   =   3 grupos sem dimensão. Configurando as seguintes equações dimensionais:

π 1 = Q . ρ a . V b . L c . θ d = F . L t F . t 2 L 4 a L t b L c T d = F 0 L 0 t 0 T 0    

Somando os expoentes:

F : 1 + a = 0

L : 1 - 4 . a + b + c = 0

t : - 1 + 2 . a - b = 0

T : d = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = - 1

b = - 3

c = - 2

d = 0

Então:

π 1 = Q ρ . V 3 . L 2

Passo 4

Para o segundo grupo temos:

π 2 = c p . ρ a . V b . L c . θ d = L 2 t 2 . T F . t 2 L 4 a L t b L c T d = F 0 L 0 t 0 T 0    

Somando os expoentes:

F : a = 0

L : 2 - 4 . a + b + c = 0

t : - 2 + 2 . a - b = 0

T : - 1 + d = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = 0

b = - 2

c = 0

d = 1

Então:

π 2 = c p . θ V 2

Passo 5

Para o terceiro grupo temos:

π 3 = μ . ρ a . V b . L c . θ d = F . t L 2 F . t 2 L 4 a L t b L c T d = F 0 L 0 t 0 T 0    

Somando os expoentes:

F : 1 + a = 0

L : - 2 - 4 . a + b + c = 0

t : 1 + 2 . a - b = 0

T : d = 0

Temos que a solução do sistema é:

a = - 1

b = - 1

c = - 1

d = 0

Então:

π 3 = μ ρ . V . L

Passo 6

Verificando usando as dimensões M ,   L ,   t , T :

M . L 2 t 3 . L 3 M . t . t 2 L 2 . 1 L 3 = 1

L 2 t 2 . T . t 2 L 2 . T = 1

M L . t . L 3 M . t L . 1 L = 1

A relação funcional é:

π 1 = f π 2 , π 3

  Q ρ . V 3 . L 2 = f c p . θ V 2 , μ ρ . V . L

Q = ρ . V 3 . L 2 . f c p . θ V 2 , μ ρ . V . L

Resposta

π 1 = Q ρ . V 3 . L 2

π 2 = c p . θ V 2

π 3 = μ ρ . V . L

Q = ρ . V 3 . L 2 . f c p . θ V 2 , μ ρ . V . L

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