Enunciado

Com o passar do tempo, o ar escapa dos pneus de alta pressão de uma bicicleta por migração através dos poros da borracha. É regra corrente dizer que um pneu perde pressão a uma taxa de “ 6,9   k P a   p o r   d i a ”. A taxa real de perda de pressão não é constante; o que ocorre é que a taxa de perda de massa de ar instantânea é proporcional à massa específica a à pressão manométrica do ar no pneu, m ˙ ∞ ρ p . Como a taxa de vazamento é baixa, o ar no pneu é aproximadamente isotérmico. Considere um pneu que está inicialmente inflado com 0,7   M P a (manométrica). Considere que a taxa inicial de perda de pressão seja de 6,9   k P a por dia. Estime o tempo necessário para que a queda de pressão atinja 500   k P a . Quão preciso é " 6,9   k P a   p o r   d i a " no período de 30 dias?

Passo 1

Equação da Conservação de Massa:

0 = ∂ ∂ t ∫ V C ρ d ∀ + ∫ S C ρ V d A

Considerações:

  1. Fluxo Uniforme;
  2. Gás Ideal;
  3. Escoamento Isotérmico;
  4. m ˙ = c p - p a t m ρ .

Passo 2

Fazendo as considerações do Passo 1, temos:

0 = ∂ ∂ t ρ ∀ + ρ V A = ∂ ∂ t ρ ∀ + m ˙ = ∂ ∂ t ρ ∀ + c p - p a t m ρ

A equação dos gases ideais é dada por:

p = ρ R T → ρ = p R T

Então, temos:

0 = ∂ ∂ t p R T ∀ + c p - p a t m p R T

0 = 1 R T ∂ p ∂ t ∀ + c p p - p a t m

0 = ∂ p ∂ t ∀ + c p p - p a t m

Passo 3

Quando t = 0 , temos que p = p 0 e ∂ p ∂ t = ∂ p ∂ t 0 :

0 = ∂ p ∂ t 0 ∀ + c p 0 p 0 - p a t m

Sendo:

c = - ∀ p 0 p 0 - p a t m ∂ p ∂ t 0

Substituindo c obtido na equação do Passo 2, temos:

0 = ∀ ∂ p ∂ t - p p - p a t m p 0 p 0 - p a t m ∂ p ∂ t 0

0 = ∂ p ∂ t - p p - p a t m p 0 p 0 - p a t m ∂ p ∂ t 0

Isolando os termos:

∫ p 0 p ∂ p p p - p a t m = ∂ p ∂ t 0 p 0 p 0 - p a t m ∫ 0 t d t

Integrando:

1 p a t m ln ⁡ p 0 p - p a t m p 0 p 0 - p a t m   = ∂ p ∂ t 0 p 0 p 0 - p a t m t

ln ⁡ 1 - p a t m p 1 - p a t m p 0   = ∂ p ∂ t 0 p 0 p 0 - p a t m t

Aplicando as propriedades de l n e fazendo k = ∂ p ∂ t 0 p 0 p 0 - p a t m :

1 - p a t m p = 1 - p a t m p 0 e k t

p = p a t m 1 - p 0 - p a t m p 0 e k t

Passo 4

Calculando k :

k = ∂ p ∂ t 0 p 0 p 0 / p a t m - 1

Sendo:

∂ p ∂ t 0 = 6,9   k P a ;

p 0 = 0,7   M P a = 700   k P a ;

p a t m = 101   k P a .

Temos:

k = - 6,9 700 ⋅ 700 / 101 - 1 = - 1,66 x 10 - 3   d i a - 1

Passo 5

Estimando o tempo necessário para que a queda de pressão atinja 500   k P a

500 = 101 1 - 700 - 101 700 e - 1,66 x 10 - 3 t

500 1 - 0,856 e - 1,66 x 10 - 3 t = 101

1 - 0,856 e - 1,66 x 10 - 3 t = 0,202

0,856 e - 1,66 x 10 - 3 t = 0,798

e - 1,66 x 10 - 3 t = 0,932

- 1,66 x 10 - 3 t = - 0,07

t = 42,4   d i a s

Passo 6

Quão preciso é " 6,9   k P a   p o r   d i a " no período de 30 dias?

Pela equação, temos:

p = 101 1 - 700 - 101 700 e - 1,66 x 10 - 3 ⋅ 30

p = 544   k P a

Pela taxa dada, temos:

p = p 0 - 6,9 t

p = 700 - 6,9 ⋅ 30 = 493   k P a

Não temos uma boa precisão em " 6,9   k P a   p o r   d i a " para um período de 30 dias.

Resposta

t = 42,4   d i a s

Não temos uma boa precisão em " 6,9   k P a   p o r   d i a " para um período de 30 dias.

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