Enunciado

A estrutura de uma parede isolada de uma casa possui condutividade térmica média de 0,04 Btu/h.ft.°R (0,07 W/m.K). A espessura de parede é de 6 in (0,15 m). A temperatura do ar interno é 70°F (21,1 °C), e o coeficiente de transferência de calor por convecção entre o ar interno e a parede é 2 Btu/h.ft².°R (11,4 W/m².K). No lado externo, a temperatura do ar ambiente é 32°F (0°C) e o coeficiente de transferência de calor por convecção entre a parede e o ar externo é 5 Btu/h.ft².°R (28,4 W/m².K). Determine a taxa de transferência de calor através da parede, em regime permanente, em Btu/h por ft² de área de superfície.

Passo 1

Fala galera!!! Tudo certinho? Vamos fazer mais uma questão de parede?

Vamos começar dando uma organizada nos dados:

k = 0,04   B t u / h . f t . ° R L = 6   i n = 0,5   f t T i = 70 ° F = 529,67 ° R h i = 2   B t u / h . f t 2 . ° R T 0 = 32 ° F = 491,67 ° R h 0 = 5   B t u / h . f t 2 . ° R

Beleza! Mesmo assim não dá para entender nada né? Como é essa situação do enunciado? Vamos listar o que acontece no processo para ficar melhor de entender!

1 - O ar interno, que está mais quente que o ar externo, transfere calor para o lado da parede que está em contato com ele por convecção, sem perdas.

2 – O lado interno da parede, que acabou de receber o calor do ar interno, vai transferir esse mesmo calor para o lado externo da parede por condução. De forma que a temperatura varia de maneira linear e tudo em regime permanente, bem devagarzinho, sem perdas.

3 - Por fim, o lado externo da parede passa esse calor para o ar externo através também da convecção, sem perdas.

Ficando assim o esquema:

Show de bola! Agora vamos partir para as contas!

Passo 2

Lembra que ali no detalhamento do processo tudo foi falado que era sem perdas?

Então vamos ter que o calor transferido por convecção do ar interno para a parede é igual ao calor transferido por condução por dentro da parede que, por fim, é igual ao calor transferido por convecção para o ar externo!

Deve ser mais fácil de ver essa frase na forma de equação né?

Q ˙ c o n v ,   i n t A = Q ˙ c o n d A = Q ˙ c o n d ,   e x t A

Ou seja:

Q ˙ A = h i ∙ T i - T 1 = - k L ∙ T 2 - T 1 = h 0 ∙ T 2 - T 0

Ou melhor:

Q ˙ A = h i ∙ T i - T 1 Q ˙ A = - k L ∙ T 2 - T 1 Q ˙ A = h 0 ∙ T 2 - T 0

Dessas incógnitas do sistema, nós não temos T 1 , nem T 2 . E agora???

Passo 3

Vamos manter a calma! É só isolar T 1 na equação 1 do sistema e T 2 na equação 3 do sistema!

Mas vamos fazer uma coisa de cada vez.

Primeiro, vamos isolar T 1 na equação 1:

Q ˙ A = h i ∙ T i - T 1

T 1 = T i - Q ˙ A h i

E agora vamos isolar o T 2 na equação 3:

Q ˙ A = h 0 ∙ T 2 - T 0

T 2 = T 0 + Q ˙ A h 0

Pronto! Agora já podemos eliminar o problema substituindo T 1 e T 2 na equação 2!

Passo 4

Lembra da equação 2?

Q ˙ A = - k L ∙ T 2 - T 1

Substituindo o T 1 e T 2 que achamos antes, ela fica assim:

Q ˙ A = - k L ∙ T 0 + Q ˙ A h 0 - T i - Q ˙ A h i

Mas ficou bem feia né? Vamos dar uma organizada!

Q ˙ A = - k L ∙ T 0 - k L ∙ Q ˙ A h 0 + k L ∙ T i - k L ∙ Q ˙ A h i

k L ∙ Q ˙ A h 0 + k L ∙ Q ˙ A h i + Q ˙ A = k L ∙ T i - k L ∙ T 0

Falta só mais um pouquinho, tá bom? Só isolar o Q ˙ A agora!

Q ˙ A ∙ k L ∙ h 0 + k L ∙ h i + 1 = k L ∙ T i - k L ∙ T 0

Q ˙ A = k L ∙ T i - k L ∙ T 0 k L ∙ h 0 + k L ∙ h i + 1

Por fim, só mais uma ajeitadinha! Prometo!!

Q ˙ A = ( T i - T 0 ) 1 h 0 + 1 h 0 + L k

Ufa! Até que enfim! Agora é só substituir e partir pro abraço!

Q ˙ A = ( 529,67 - 491,67 ) 1 5 + 1 2 + 0,5 0,04

Q ˙ A = 2,88   B t u

Pronto!!! Conseguimos! Descansa um pouco e vamos para a próxima!

Resposta

Q ˙ A = 2,88   B t u

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