Considere uma placa plana com espessura de 0,3 m, condutividade térmica k = 2,5 W/mK e área superficial de 12 m². O lado esquerdo da parede x = 0 é submetido a um fluxo líquido de q'' = 950 W/m² enquanto a temperatura nessa superfície é medida como T1 = 85°C. Assumindo a condutividade térmica constante e sem geração de calor na parede, a) expresse a equação diferencial para condução de calor unidimensional e estacionária através da parede. b) obtenha uma relação para a variação de temperatura na parede resolvendo a equação diferencial e avalie a temperatura da superfície direita da parede em x = L.

Questão

Considere uma placa plana com espessura de 0,3 m, condutividade térmica k = 2,5 W/mK e área superficial de 12 m². O lado esquerdo da parede x = 0 é submetido a um fluxo líquido de q'' = 950 W/m² enquanto a temperatura nessa superfície é medida como T1 = 85°C. Assumindo a condutividade térmica constante e sem geração de calor na parede, a) expresse a equação diferencial para condução de calor unidimensional e estacionária através da parede. b) obtenha uma relação para a variação de temperatura na parede resolvendo a equação diferencial e avalie a temperatura da superfície direita da parede em x = L.

Resposta

97%

a) Para condução unidimensional, em regime estacionário, com condutividade constante e sem geração volumétrica de calor (q˙=0\dot{q}'''=0), a equação diferencial governante é:

ddx(kdTdx)=0\frac{d}{dx}\left(k\frac{dT}{dx}\right)=0

Como kk é constante:

d2Tdx2=0\frac{d^2T}{dx^2}=0


b) Integrando a EDO:

  1. Primeira integração:

d2Tdx2=0    dTdx=C1\frac{d^2T}{dx^2}=0 \;\Rightarrow\; \frac{dT}{dx}=C_1

  1. Segunda integração:

T(x)=C1x+C2T(x)=C_1x+C_2

Agora aplicamos as condições de contorno dadas.

  • Na face esquerda (x=0x=0): a temperatura é medida como

T(0)=T1=85CC2=85T(0)=T_1=85^\circ C \Rightarrow C_2=85

  • Também na face esquerda (x=0x=0): é imposto um fluxo líquido de calor entrando na parede de

q=950  W/m2q''=950\;\text{W/m}^2

Pela lei de Fourier (tomando qq'' positivo no sentido +x+x):

q=kdTdxq''=-k\,\frac{dT}{dx}

Logo,

950=2,5C1C1=9502,5=380  K/m950=-2{,}5\,C_1 \Rightarrow C_1=-\frac{950}{2{,}5}=-380\;\text{K/m}

Portanto, o perfil de temperatura na parede é:

T(x)=85380xT(x)=85-380x

Com L=0,3mL=0{,}3\,\text{m}, a temperatura na superfície direita (x=Lx=L) é:

T(L)=85380(0,3)=85114=29CT(L)=85-380(0{,}3)=85-114=-29^\circ C

Resposta:

  • Relação de temperatura: T(x)=85380x\boxed{T(x)=85-380x} (com xx em m e TT em °C)
  • Temperatura na face direita: T(L)=29C\boxed{T(L)=-29^\circ C}

(Observação: a área de 12 m² não é necessária para achar T(x)T(x); ela seria usada para obter a taxa total Q˙=qA=95012=11400W\dot{Q}=q''A=950\cdot 12=11400\,\text{W}.)

Explicação

Dados

  • Espessura: L=0,3mL=0{,}3\,\text{m}
  • Condutividade: k=2,5W/(m\cdotpK)k=2{,}5\,\text{W/(m·K)}
  • Fluxo imposto em x=0x=0: q=950W/m2q''=950\,\text{W/m}^2
  • Temperatura em x=0x=0: T(0)=85CT(0)=85^\circ\text{C}
  • Sem geração: q˙=0\dot{q}'''=0
  • 1D e estacionário.

a) Equação diferencial governante

Para condução 1D, estacionária, com kk constante e sem geração:

ddx(kdTdx)+q˙=0    ddx(kdTdx)=0\frac{d}{dx}\left(k\frac{dT}{dx}\right)+\dot{q}'''=0 \;\Rightarrow\; \frac{d}{dx}\left(k\frac{dT}{dx}\right)=0

Como kk é constante:

kd2Tdx2=0d2Tdx2=0.k\frac{d^2T}{dx^2}=0\Rightarrow \frac{d^2T}{dx^2}=0.


b) Solução e temperatura em x=Lx=L

Resolvendo:

  1. d2Tdx2=0dTdx=C1\dfrac{d^2T}{dx^2}=0 \Rightarrow \dfrac{dT}{dx}=C_1

  2. T(x)=C1x+C2T(x)=C_1x+C_2

Aplicando T(0)=85CT(0)=85^\circ\text{C}:

C2=85.C_2=85.

Aplicando o fluxo em x=0x=0 pela lei de Fourier, com o fluxo positivo no sentido +x+x:

q=kdTdx=kC1.q''=-k\frac{dT}{dx}=-kC_1.

Então:

950=2,5C1C1=380K/m.950=-2{,}5\,C_1\Rightarrow C_1=-380\,\text{K/m}.

Logo:

T(x)=85380x.T(x)=85-380x.

Em x=L=0,3mx=L=0{,}3\,\text{m}:

T(L)=853800,3=85114=29C.T(L)=85-380\cdot 0{,}3=85-114=-29^\circ\text{C}.

Alternativa correta: (não se aplica).

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