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Analise Termica   Lista Exercícios 02

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Analise Termica Lista Exercícios 02

2a Lista de Exercícios – Análise Térmica
Primeira parte: condução permanente e condução transiente
1) O vidro traseiro de um carro é desembaçado pela passagem de ar quente sobre sua superfície
interna. Se o ar quente está a 40oC e o coeficiente de convecção correspondente é igual a 30
W/m2.K, quais as temperaturas das superfícies interna e externa de uma janela de vidro com 4mm
de espessura se a temperatura do ar ambiente é -10oC e o coeficiente de convecção associado é
65 W/m2.K? Dados: Kvidro = 1,4W/m.K.
2) O vidro traseiro de um automóvel é desembaçado pela fixação de um elemento de aquecimento
em forma de película transparente à sua superfície interna. Aquecendo-se eletricamente esse
elemento, um fluxo de calor uniforme é estabelecido na superfície interna. Para uma janela de
4mm de espessura, determine a potência elétrica necessária, por unidade de área da janela, para
manter a temperatura da superfície interna interna a 15oC quando a temperatura do ar no interior
do automóvel e o coeficiente de convecção associado forem, respectivamente, 25oC e 10 W/m2.K,
enquanto a temperatura do ar no exterior e o coeficiente de convecção associado for igual a -10oC
e 65 W/m2.K. dados: Kvidro = 1,4W/m.K.
3) A parede composta de um forno consiste em três materiais, dois dos quais possuem
condutividades térmicas conhecidas: KA = 20W/m.K e KC= 50W/m.K. As espessuras são: LA= 0,30
m e LC= 0,15 m. O terceiro material, B, que fica entre A e C, é de espessura conhecida, LB= 0,15
m, mas a condutividade KB é desconhecida. Em condições de operação de regime estacionário,
medições revelam uma temperatura da superfície externa igual a 20oC, da superfície interna igual
a 600oC e do ar dentro do forno igual a 800oC. O coeficiente de convecção associado a
temperatura do ar no forno é igual a 25 W/m2.K. Calcule o valor de KB.
4) As paredes externas de uma construção formam uma composição que consiste em uma placa
de gesso com 10 mm de espessura, espuma de uretano com 50 mm de espessura e uma madeira
macia com 10 mm de espessura. Em um dia típico de inverno europeu, as temperaturas do ar
externo e interno são -15 e 20 oC, respectivamente, com coeficientes de convecção interno e
externo iguais a 15 W/m2.K e 5 W/m2.K, respectivamente.
a) Qual a taxa de transferência de calor para uma seção de parede de 1 m2 ? 
b) Qual a taxa de transferência de calor se a parede composta for substituída por uma janela de
de vidro, de espessura de 3 mm?
c) Qual a taxa de transferência de calor se a parede composta for substituída por uma janela de
vidro duplo, cada um com 3mm de espessura e separados por uma camada de ar estagnado com
5mm de espessura?
OBS: Na letra C, realize dois diferentes cálculos: i) considerando a condutividade térmica do vidro
e do ar estagnado; ii) considerando somente a condutividade térmica do ar estagnado. Elabore
uma conclusão avaliando os dois resultados.
Dados:
KGESSO= 0,17 W/m.K.; KURETANO= 0,026W/m.K.; KMADEIRA= 0,12W/m.K.; KVIDRO= 1,4 W/m.K.; KAR=
0,0263 W/m.K.
5) Uma casa tem uma parede composta de madeira, isolamento de fibra de vidro e placas de
gesso. Em um dia frio de inverno, os coeficientes de transferência de calor por convecção são he=
60 W/m2.K e hi= 30 W/m2.K. A área total da superfície da parede é de 350m2.
a) Determine uma expressão que simbolize a resistência térmica total da parede, incluindo os
efeitos da convecção interna e externa para as condições dadas;
b) Determine a perda total de calor através da parede;
c) Se o vento estivesse soprando violentamente, aumentando he para 300 W/m2.K, determine o
percentual do aumento da perda de calor;
d) Qual a resistência de controle que determina o flux de calor total através da parede? Justifique
sua resposta.
Dados: Ti= 20oC; Te= -15oC; KGESSO= 0,17 W/m.K; KFIBRA DE VIDRO= 0,038W/m.K; KMADEIRA= 0,12W/m.K
6) Um aquecedor delgado é inserido entre uma barra circular longa e um tubo concêntrico com
raios interno e externo de 20 e 40 mm, respectivamente. A barra (A) tem condutividade térmica
KA= 0,15 W/m.K, enquanto a do tubo é KB= 1,5 W/m.K e sua superfície externa está sujeita a
convecção com um fluido de temperatura igual a -15oC e coeficiente de transferência de calor
igual a 50 W/m2.K. A resistência térmica de contato entre as superfícies do cilindro e do aquecedor
é desprezível. Determine:
a) A potência elétrica por unidade de comprimento dos cilindros (w/m) necessária para manter a
superfície externa do cilindro B a 5oC;
b) A temperatura no centro do cilindro A.
7) Esferas de aço com 12 mm de diâmetro são temperadas através do aquecimento a 1150 K e
então sã resfriadas lentamente até 400 K no ar ambiente, para o qual a temperatura é igual a 325
K e h= 20 W/m2.K. Estime o tempo necessário para o processo de resfriamento.
Dados do aço:
r= 7800Kg/m3; K= 40 W/m.K; c= 600 J/kg.K
8) O coeficiente de transferência de calor para o ar escoando sobre uma esfera deve ser
determinado pela observação da história da temperatura com o tempo de uma esfera fabricada de
cobre puro. A esfera, que possui 12,7 mm de diâmetro, está a 66 oC antes de ser inserida numa
corrente de ar à T= 27 oC. Um termopar na superfície externa indica 55 oC 69 segundos após a
esfera ser imersa na corrente de ar. Calcule o coeficiente de transferência de calor.
Dados do cobre:
r= 7800Kg/m3; c= 389 J/kg.K
9) Eixos de aço carbono (AISI 1010) de 0,1 m de diâmetro são submetidos a tratamento térmico
em um forno a gás cujos gases estão a 1200 K e fornecem um coeficiente de convecção de 100
W/m2.K. Se os eixos entram no forno a 300 K, quanto tempo devem permanecer no forno para
atingirem a temperatura de linha de centro de 800k?
Dados do aço carbono: 
r= 7832Kg/m3; c= 541J/kg.K; K= 51,2 W/m.K
10) Uma unidade de armazenamento de energia térmica consiste em um grande canal retangular
cujas superfícies externas são bem isoladas termicamente, e que apresenta no seu interior
camadas do material de armazenamento separadas por canais de escoamento. Cada camada do
material de armazenamento é uma placa de alumínio de largura W=0,05 m, o qual está a uma
temperatura inicial de 25 oC. Considere condições para as quais a unidade de armazenamento é
carregada pela passagem de um gás quente através dos canais. A temperatura do gás e o
coeficiente de convecção são considerados valores constantes de 600 oC e 100 W/m2.K em todo o
canal. Quanto tempo irá levar para atingir 75% da energia armazenada máxima possível? Qual
será a temperatura do alumínio nesse instante?
Dados do alumínio: K= 231 W/m.K; c=1033 J/kg.K; r= 2702Kg/m3