Lista de Exercícios I FT II 2020 01 Modos de Transferência de Calor

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE 
ESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOS 
DISCIPLINA DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE II 
 
Lista de Exercícios I (2020/01) – MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
 
1 - A figura abaixo ilustra uma parede composta constituída de três materiais diferentes, estando a face 
esquerda da parede exposta a um ambiente quente e a direita a um ambiente frio. 
 
 
 
Considere as seguintes afirmações relativas à figura: 
 
I – A parede B possui a menor resistência à condução de calor; 
II - A parede A possui a maior condutividade térmica; 
III – O coeficiente de transferência de calor por convecção na face esquerda será menor com a diminuição da 
velocidade de deslocamento do “Fluido Quente”; 
IV – A resistência à transferência de calor por convecção é maior na face esquerda da parede; 
V – Pode-se dizer que a parede B atua como o isolante do sistema. 
 
Estão CORRETAS as seguintes afirmativas: 
A) II , IV e V ( ) 
B) I, II e IV ( ) 
C) II, III e V ( ) 
D) I, II e V ( ) 
E) III, IV e V ( ) 
 
2 - Uma tubulação de vapor d´água sem isolamento térmico atravessa uma sala na qual o ar e as paredes se 
encontram a 25
0
C. O diâmetro externo do tubo é de 70 mm, a temperatura de sua superfície é de 200
0
C e esta 
superfície tem emissividade igual a 0,8. Qual a taxa líquida de transferência de calor por radiação? Considere 
que a superfície seja cinza difusa. 
 
 
3 - Calcule a taxa de perda de calor a partir da parede de um forno por área unitária. A parede é construída 
com uma camada interna de aço com 0,5 cm de espessura (k = 40 W/m K) e uma parede externa de tijolos de 
zircônio de 10 cm (k = 2,5 W/ m K). A temperatura da superfície interna é de 900 K e da superfície externa 
é de 460 K. Qual é a temperatura na interface? (R: 898,6 K). 
 
4 - Uma parede de tijolos com 0,1 m de espessura (k = 0,7 W/m K) está exposta a um vento frio a 270 K 
através de um coeficiente de transferência de calor por convecção de 40 W/(m
2
 K). No outro lado, existe ar 
parado a 330 K, com um coeficiente de transferência de calor por convecção natural de 10 W/(m
2
 K). 
Calcule a taxa de transferência de calor por área unitária, isto é, o fluxo de calor. (R: 223,9 W). 
 
5 - Um tubo com 0,5 m de diâmetro (ε = 0,9) transportando vapor apresenta uma temperatura superficial de 
500 K. O tubo está localizado em uma sala à temperatura de 300 K, e o coeficiente de transferência de calor 
por convecção entre a superfície do tubo e o ar na sala é de 20 W/(m
2
 K). Calcule a taxa de transferência de 
calor total por metro linear de tubulação entre a superfície da tubulação e o ambiente. (R: 10.650 W). 
 
6 - Uma casa tem telhado horizontal, plano e recoberto com asfalto negro. A superfície inferior do telhado 
apresenta um bom isolamento, ao passo que a superfície superior está exposta ao ar ambiente a 300 K, por 
meio de um coeficiente de transferência de calor convectivo de 10 W/m
2
 K. Calcule a temperatura de 
equilíbrio do telhado para as condições a seguir: a) um dia ensolarado com fluxo incidente de radiação solar 
de 500 W/m
2
 e o céu ambiente a uma temperatura efetiva de 50 K e b) uma noite clara com temperatura do 
céu ambiente de 50 K. (R: 30oC, -3oC). 
 
7 - Humanos são capazes de controlar suas taxas de produção de calor e de perda de calor para manter 
aproximadamente a sua temperatura corporal de Tc = 37
o
C sob uma ampla faixa de condições ambientais. 
Este processo é chamado de termorregulação. Com a perspectiva de calcular a transferência de calor entre 
um corpo humano e sua vizinhança, focamos em uma camada de pele e gordura, com a sua superfície 
externa exposta ao ambiente e sua superfície interna a uma temperatura um pouco abaixo da temperatura 
corporal, Ti = 35
 o
C = 308 K. Considere uma pessoa com uma camada de pele/gordura com espessura L = 3 
mm e com condutividade térmica efetiva de k = 0,3 W/ (m K). A pessoa tem uma área superficial de 1,8 m
2
 e 
está vestindo roupa de banho. A emissividade da pele é ε = 0,95. 
a) Estando a pessoa no ar em repouso a T∞ = 297 K, qual é a temperatura superficial da pele e a taxa de perda 
de calor para o ambiente? A transferência de calor por convecção para o ar é caracterizada por um 
coeficiente de convecção natural h = 2 W/m
2
 K); (R: 307,2 K, 146 W). 
b) Estando a pessoa imersa na água a T∞ = 297 K, qual é a temperatura superficial da pele e a taxa de perda 
de calor? A transferência de calor para a água é caracterizada por um coeficiente de convecção h = 200 W/m
2
 
K). (R: 300,7 K, 1320 W). 
 
8 - Um aquecedor elétrico de cartucho possui a forma de um cilindro, com comprimento L = 200 mm e 
diâmetro externo D = 20 mm. Em condições normais de operação, o aquecedor dissipa 2 kW quando 
submerso em uma corrente de água a 20
0
C onde o coeficiente de transferência de calor por convecção é de h 
= 5000 W/(m
2
 K). Desprezando a transferência de calor nas extremidades do aquecedor, determine a sua 
temperatura superficial Ts. Se o escoamento da água for inadvertidamente eliminado e o aquecedor 
permanecer em operação, sua superfície passa a estar exposta ao ar, que também se encontra a 20 
0
C, mas no 
qual h = 50 W/(m
2
 K). Qual é a temperatura superficial correspondente? Quais as consequências de tal 
evento? (R: 51.8°C, 3200°C). 
 
9 – A sensação de calafrio (resfriamento pelo vento), que é experimentada em dias frios com 
ventos, está relacionada ao aumento da transferência de calor da pele humana exposta para a 
atmosfera ao redor. Considere uma camada de tecido gorduroso que possua 3 mm de espessura (k = 
0,3 W/m K) e cuja superfície interna seja mantida a uma temperatura de 36
o
C. Em um dia calmo, o 
coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície externa é de 25 (W/m
2
 K), mas 
com ventos de 30 km/h ele chega a 65(W/m
2
 K). Em ambos os casos, a temperatura do ar ambiente 
é de -15
o
C. 
a) Qual é a razão entre as perdas de calor, por unidade de área de pele, em um dia calmo e em 
um dia de vento? 
b) Qual será a temperatura da superfície externa da pele em um dia calmo? E em um dia de 
vento? 
c) Qual a temperatura que o ar deveria ter no dia calmo para causar a mesma perda de calor 
que ocorre com a temperatura do ar a -15
o
C no dia em que há vento? 
 
1100 –– A parede de um forno é composta de uma camada de 20 cm de espessura de tijolos refratários 
(k = 0,5 W/m K). A temperatura da superfície interna da parede é de 800
o
C. A superfície externa 
está em contato com o ar à temperatura ambiente (25
o
C). Pode-se supor que a convecção natural ao 
longo da parede resulta em um coeficiente de transferência de calor h = 5 (W/m
2
 K). (2,5 pt) 
 
a) Determine a perda de calor (por unidade de área) através da parede e a temperatura da superfície 
exterior. 
 
b) Para diminuir as perdas de calor coloca-se uma camada de isolante (k = 0,05 W/m K) entre a 
parede do forno e o ambiente. O isolante é segurado por uma placa de aço (k =50 W/m K) de 2 mm 
de espessura. Qual deve ser a espessura mínima da camada isolante para que a temperatura da placa 
de aço não ultrapasse os 50
o
C? 
 
c) O isolante utilizado é danificado se for submetido de forma contínua a temperaturas superiores a 
500
o
C. Avalie a espessura máxima aceitável da camada isolante, a perda de calor (por unidade de 
área) e a temperatura da placa de aço nesse caso.