Respostas Blended - Transferência de Calor e Massa - Unidade 1

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Transferência de Calor e Massa
Atividade Diagnóstica - Unidade 1 - Seção 1
Questão 1.
A condução é um processo pelo qual o calor se transmite ao longo de um meio material, como efeito da transmissão de vibração entre as moléculas. As moléculas mais energéticas (maior temperatura) transmitem energia para as menos energéticas (menor temperatura). Há materiais que conduzem o calor rapidamente, como por exemplo, os metais. Tais materiais são chamados de bons condutores. Segurando uma barra de metal que tem uma extremidade sobre uma chama, rapidamente o calor é transmitido para nossa mão. Por outro lado há materiais nos quais o calor se propaga muito lentamente. Tais materiais são chamados isolantes.
Com base nessas informações, pode-se afirmar que a transferência de calor por condução depende
a. da espessura do material, da entalpia do processo de transferência de calor e do tipo de material.
b. da espessura do material, da entropia do processo de transferência de calor e do tipo de material.
c. da geometria do material, do tipo de material e do coeficiente de convecção.
d. do tipo de material, da emissividade e da espessura do material.
e. da geometria do material, da espessura do material e do tipo de material.
Questão 2.
Colocando-se uma das extremidades de uma barra metálica numa chama e segurando-se a outra com a mão, sente-se que esta se torna cada vez mais quente, embora não esteja em contato direto com o fogo. Diz-se que o calor atinge o extremo mais frio da barra por condução através do material.
Analise as seguintes considerações:
I. As moléculas na extremidade quente aumentam a intensidade de suas vibrações à medida que a temperatura desta extremidade aumenta.
II. Quando as moléculas colidem com as moléculas vizinhas, transferem uma parte de sua energia, de modo que a temperatura vai aumentando em pontos distantes da extremidade quente.
III. A energia do movimento térmico passa de molécula a molécula, enquanto cada molécula passa a ter uma nova posição após cada choque.
IV. A condução ocorre quando as partes de um corpo tiverem obrigatoriamente temperaturas diferentes.
Avaliando as afirmativas anteriores, assinale a alternativa CORRETA:
a. Apenas as alternativas II, III e IV estão corretas.
b. Apenas as alternativas I, II e IV estão corretas.
c. Apenas a alternativa I está correta.
d. Apenas a alternativa III está correta.
e. Apenas a alternativa II está correta.
Questão 3.
Transferência de calor por condução é a transferência de energia através de uma substância, sólido ou fluido, como resultado da presença de um gradiente de temperatura dentro da substância.
De acordo com as informações apresentadas na tabela a seguir, faça a associação dos fenômenos de transferência de calor por condução apresentados na coluna A com suas respectivas definições na coluna B.
COLUNA A					COLUNA B
I. Difusividade térmica.	1. Expressões matemáticas das condições térmicas nas fronteiras.
II. Condutividade térmica.	2. Representa o quão rápido o calor se propaga através do material.
III. Condições de contorno.	3. É uma propriedade de transporte, fornece uma indicação da taxa na qual a energia é transferida pelo processo de difusão.
IV. Condução de calor unidimensional.		4. Vidro de uma janela grande e um fio de resistência elétrica.
Assinale a alternativa que apresenta a associação CORRETA entre as duas colunas.
a. I-1, II-2, III-3, IV-4.
b. I-2, II-3, III-4, IV-1.
c. I-4, II-1, III-3, IV-2.
d. I-2, II-4, III-1, IV-3.
e. I-3, II-1, III-2, IV-4.
Atividade de Aprendizagem - Unidade 1 - Seção 1
Questão 1.
O dinossauro stegosaurus viveu na era Jurássica, há cerca de 150 milhões de anos, e tinha duas fileiras de grandes (e bizarras) placas ósseas nas costas. Por um certo tempo, os cientistas pensavam que as placas eram uma espécie de armadura para proteger o vegetariano dos predadores. Sabemos agora que o sangue fluía através das placas, e elas podem ter agido como um radiador de carro. O coração bombeava sangue através das placas, e estas agiam como aletas de refrigeração para resfriar o sangue para baixo.
Considerando a aplicação das aletas, analise as afirmativas a seguir e assinale V para verdadeiro e F para falso:
( ) As aletas são utilizadas na prática para aumentar a transferência de calor a partir da superfície.
( ) As aletas são construídas com materiais bons condutores de calor, tais como, cobre e alumínio.
( ) As aletas são utilizadas para produzir equipamentos de troca térmica mais eficientes, reduzindo tamanho e custos.
( ) As aletas expõem uma superfície maior à transferência de calor por condução.
Agora, assinale a alternativa correta.
a. F – F – V – V.
b. V – F – V – V.
c. F – F – F - V.
d. V – V – V – V.
e. V – V –V – F.
Questão 2.
A parede de um forno industrial é construída em tijolo refratário com 0,15 m de espessura, cuja condutividade térmica é de 1,7 W/m.K. Medidas efetuadas ao longo da operação em regime estacionário revelam temperaturas de 1400 K e 1150 K nas paredes interna e externa, respectivamente.
Com base nessas informações, a taxa de calor perdida através de uma parede que mede 0,5 m por 1,2 m é de:
a. 1700 W.
b. 1200 W.
c. 2100 W.
d. 1400 W.
e. 1900 W.
Questão 3.
A transferência de calor ocorre quando dois ou mais corpos que estão em temperaturas diferentes são colocados em contato, ou em um mesmo local, fazendo com que a energia térmica de um corpo seja transferida para outro. Esta transferência de calor pode acontecer de três maneiras diferentes, por condução, convecção ou irradiação.
Com relação à forma de transferência de calor por condução, complete as lacunas da sentença a seguir:
Condução é a transferência de energia das partículas ____________ energéticas de uma substância para partículas vizinhas adjacentes ____________ energéticas, como resultado da interação entre elas. A condução pode ocorrer em sólidos, líquidos e gases. Em líquidos e gases, a condução deve-se às colisões e ____________ das moléculas em seus movimentos aleatórios. Nos sólidos, ela acontece por causa da combinação das ____________ das moléculas em rede, e a energia é transportada por elétrons livres.
Agora, assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto.
a. mais, menos, transferências e energias.
b. menos, mais, transferências e energias.
c. mais, menos, difusões e vibrações.
d. menos, mais, difusões e vibrações.
e. mais, menos, difusões e energias.
Atividade Diagnóstica - Unidade 1 - Seção 2
Questão 1.
Uma classe importante de problemas de transferência de calor para obtenção de soluções simples engloba aqueles que envolvem duas superfícies mantidas a temperaturas constantes. A taxa de transferência de calor permanente entre essas duas superfícies é expressa como:
Onde S é o fator de forma de condução, que tem a dimensão de comprimento e k é a condutividade térmica do meio entre as superfícies.
Considerando o contexto, avalie as afirmativas a seguir:
I. Os fatores de forma são aplicáveis quando a transferência de calor entre as duas superfícies é por condução.
II. Os fatores de forma são aplicáveis quando o meio entre as superfícies é um líquido ou um gás.
III. Os fatores de forma dependem da geometria do sistema.
IV. Os fatores de forma de condução têm sido determinados para uma série de configurações encontradas na prática e determinados em tabelas.
Assinale a alternativa correta.
a. Apenas as alternativas I, II e IV estão corretas.
b. Apenas a alternativa I, III e IV estão corretas.
c. Apenas a alternativa II está correta.
d. Apenas a alternativa III está correta.
e. Apenas a alternativa I está correta.
Questão 2.
Condução é a transferência de energia das partículas mais energéticas de uma substância para partículas vizinhas adjacentes menos energéticas, como resultado da interação entre elas. A transferência de calor por condução em um meio pode ser classificada como permanente e não permanente ou transiente e como unidimensional, bidimensional ou tridimensional.
Atransferência de calor em geometrias simples, como grandes paredes planas, longos cilindros e esferas, pode ser aproximada como ____________, sendo que soluções analíticas mais simples podem ser facilmente obtidas. Na prática, os problemas são de duas ou três dimensões e envolvem geometrias bastante complicadas. Uma classe importante de problemas de transferência de calor para obtenção de soluções simples engloba aqueles que envolvem duas superfícies mantidas a temperaturas ____________ T1 e T2. A taxa de transferência de calor permanente entre essas duas superfícies depende do S que é o fator de ____________ de condução e que depende apenas da ____________ do sistema.
Assinale a alternativa que completa as lacunas corretamente.
a. bidimensional/ variáveis/ forma/ geometria.
b. unidimensional/ constantes/ forma/ geometria.
c. bidimensional/ constantes/ forma/ geometria.
d. tridimensional/ constantes/ forma/ espessura.
e. unidimensional/ variáveis/ forma/ espessura.
Questão 3.
Os métodos analíticos para a determinação de taxa de transferência de calor por condução bidimensional são limitados a problemas simplificados em geometrias simples e, muitas vezes, é necessário utilizar um método numérico para resolver os problemas do mundo real com geometrias complexas ou com condições térmicas não uniformes. O método numérico de diferenças finitas é baseado na substituição das derivadas por diferença e a solução dos sistemas de equação de diferenças finitas pode ser obtida por métodos diretos e iterativos.
Considerando os métodos numéricos de equações de diferenças finitas, analise as afirmativas a seguir e assinale V para verdadeiro e F para falso:
( ) Os métodos diretos envolvem um número fixo de operações aritméticas. São mais utilizados para soluções de sistemas pequenos, pois usam muita memória e gastam muito tempo computacional.
( ) Os métodos interativos são mais utilizados para a soluções de sistemas grandes e os requisitos computacionais são reduzidos.
( ) A formulação de diferenças finitas é obtida por meio da seleção do número suficiente de pontos na região, chamados nós.
( ) Um exemplo de método iterativo de cálculo numérico é o método de Gauss-Seidel.
Tomando como referência os métodos numéricos de equações de diferenças finitas, julgue as afirmativas a seguir em (V) Verdadeiras ou (F) Falsas.
a. V – V – V – V.
b. F – F – V – V.
c. V – F – V – V.
d. V – V –V – F.
e. F – F – F - V.
Atividade de Aprendizagem - Unidade 1 - Seção 2
Questão 1.
Em problemas com geometrias simples, pode-se preencher toda a região usando elementos de volume simples, como tiras para parede plana e elementos retangulares para transferência de calor por condução bidimensional na região retangular. Pode-se também utilizar elementos de cascas cilíndricas ou esféricas para cobrir os corpos cilíndricos e esféricos inteiramente. No entanto, muitas geometrias encontradas na prática, como lâminas de turbina ou blocos de motor, não têm formas simples, sendo difícil preenche-las devido aos contornos irregulares com elementos de volume simples.
Uma forma prática de lidar com tais geometrias é
a. substituir a geometria irregular usando elementos de volume simples.
b. substituir a geometria irregular pela geometria que ocorre em maior quantidade.
c. substituir a geometria irregular por uma série de elementos de volumes simples.
d. substituir a geometria irregular utilizando o conceito do fator de forma.
e. substituir a geometria irregular utilizando a taxa de condução de calor adimensional.
Questão 2.
Um tubo de água quente de sistema de aquecimento urbano, com 30 m de comprimento e 10 cm de diâmetro, é enterrado 50 cm abaixo da superfície do solo, como mostrado na figura a seguir. A temperatura da superfície externa do tubo é 80°C, a temperatura da superfície da terra como 10°C e a condutividade térmica do solo local é 0,9 W/m.K. O fator de forma do
tubo é 
 
 
Com base nessas informações, a taxa de perda de calor do tubo, com as dimensões citadas anteriormente, é de.
a. 1260 W.
b. 2462 W.
c. 4360 W.
d. 4785 W.
e. 3963 W.
Questão 3.
Existem várias maneiras de se obter a formulação numérica do problema de condução de calor como o método das diferenças finitas, métodos dos elementos finitos, método dos elementos de contorno e método do balanço de energia (ou volume de controle). Cada método, porém, tem suas próprias vantagens e desvantagens, mas todos são usados na prática.
Considerando o contexto, avalie as afirmativas a seguir:
I. O método das diferenças finitas consiste em adaptar uma grade ou rede nodal (malha) sobre o domínio físico.
II. Cada ponto da rede é chamado de nó ou ponto nodal, sendo identificado por índices únicos no domínio.
III. Nos pontos nodais são realizadas as aproximações do modelo matemático, originando um sistema de equações lineares.
IV. Para a obtenção das aproximações existem duas metodologias principais: baseada na Série de Taylor e baseada no Balanço de Energia.
É correto o que se afirma em:
a. As alternativas I, II, III e IV estão corretas.
b. Apenas as alternativas I, II e IV estão corretas.
c. Apenas a alternativa III está correta.
d. Apenas a alternativa I está correta.
e. Apenas a alternativa II está correta.
Atividade Diagnóstica - Unidade 1 - Seção 3
Questão 1.
Na análise de transferência de calor, alguns corpos se comportam como um “aglomerado” cuja temperatura interior permanece essencialmente uniforme o tempo todo durante o processo de transferência de calor. A temperatura de tais corpos pode ser tomada como função apenas do tempo, T(t).
A análise da transferência de calor que utiliza essa idealização é conhecida como:
a. Análise de condução bidimensional.
b. Análise de convecção natural.
c. Análise de aglomerados convectivos.
d. Análise de sistemas aglomerados.
e. Análise de condução unidimensional.
Questão 2.
Nascido em 1774, na cidade de Paris em França, Jean-Baptiste Biot foi um célebre físico, astrônomo e matemático francês, celebrizado pelo pioneirismo do uso da luz polarizada no estudo de soluções. Estudou na Escola Politécnica da sua cidade natal onde foi aluno de Monge. Entre 1797 e 1800 foi professor de matemática na Escola Central de Beauvais e professor de física-matemática no Collège de France. O seu principal campo de investigação foi a matemática aplicada às áreas da óptica, elasticidade, astronomia, eletricidade e magnetismo e algum trabalho abstrato na área da geometria. Outro importante contributo de Biot para a ciência, foi o estudo, juntamente com Felix Savart, do campo magnético produzido por cabos
atravessados por corrente elétrica, com quem formula a Lei Biot-Savart sobre o eletromagnetismo. O número de Biot (Bi) usado nos cálculos de transferência de calor transiente recebeu esse nome em sua homenagem.
O número de Biot é determinado através da fórmula:
 Onde Lc é o comprimento característico, a ser usado na avaliação do número de Biot para geometrias simples e k é a condutividade térmica do meio.
Considerando o contexto, avalie as afirmativas a seguir:
I. Um pequeno número de Biot representa uma grande resistência à condução de calor.
II. Um pequeno número de Biot representa pequenos gradientes de temperatura no interior do corpo.
III. Quanto menor o número de Biot, mais precisa a análise de sistemas aglomerados.
IV. O número de Biot é adimensional.
De acordo com as informações, é correto o que se afirma em:
a. Apenas a alternativa I e II estão corretas.
b. Apenas a alternativa I, III e IV estão corretas.
c. Apenas a alternativa II e IV estão corretas.
d. Apenas as alternativas II, III e IV estão corretas.
e. Apenas a alternativa I, II e IV estão corretas.
Questão 3.
A análise de sistemas aglomerados certamente proporciona alta comodidade na análise da transferência de calor, e, naturalmente, é importante saber quando é apropriado utilizá-lo. O primeiro passo no estabelecimento do critério para aplicabilidade da análise de sistemas aglomerados é definiro comprimento característico e o número de Biot.
Quando um corpo sólido é aquecido por um fluido mais quente que o rodeia (como uma batata sendo assada no forno), primeiro o calor é transferido por ____________ para o corpo e, posteriormente, por ____________ para dentro do corpo. O número de Biot é a razão entre a ____________ do corpo à condução de calor e sua ____________ à convecção de calor.
Assinale a alternativa que completa as lacunas corretamente.
a. convecção, condução, resistência externa e resistência interna.
b. condução, convecção, resistência externa e resistência interna.
c. convecção, condução, resistência interna e resistência externa.
d. convecção, radiação, resistência externa e resistência interna.
e. condução, convecção, resistência interna e resistência externa.
Atividade de Aprendizagem - Unidade 1 - Seção 3
Questão 1.
O sólido semi-infinito fornece uma idealização útil para muitos problemas práticos. Ele pode ser usado para determinar a transferência de calor transiente próxima à superfície da terra ou para aproximar a resposta transiente de um sólido finito, como uma placa espessa. Nessa segunda situação, a aproximação seria razoável para a porção inicial do transiente, durante a qual as temperaturas no interior da placa (em pontos distantes da superfície) estão essencialmente não influenciadas pela mudança nas condições superficiais.
Assim, uma definição simples de sólido semi-infinito é
a. um corpo real que tem uma única superfície plana e se apresenta de forma tridimensional.
b. um corpo idealizado que apresenta diversas superfícies planas e se estende até ao infinito em todas as direções.
c. um corpo real que apresenta diversas superfícies planas e se estende até o infinito em todas as direções.
d. um corpo real que tem uma única superfície plana e se apresenta de forma bidimensional.
e. um corpo idealizado que tem uma única superfície plana e se estende até ao infinito em todas as direções.
Questão 2.
Em um processo de endurecimento brusco, barras de aço (r = 7832 kg/m3, cp = 434 J/kg.K e k = 63,9 W/m.K) são aquecidas em um forno a 850°C e depois resfriadas em banho de água a uma temperatura média de 95°C. O banho de água tem temperatura uniforme de 40°C e o coeficiente de transferência de calor por convecção (h) é 450 W/m2.K. As barras de aço têm diâmetro de 50 mm e comprimento de 2 m.
Com base nessas informações, o número de Biot e a transferência de calor à água durante o endurecimento de uma barra, são de, respectivamente:
a. 0,44 e 10,1 MJ.
b. 0,088 e 20,2 MJ.
c. 0,88 e 10,1 MJ.
d. 0,88 e 20,2 MJ.
e. 0,088 e 10,1 MJ.
Questão 3.
A condução transiente ocorre principalmente quando um sólido experimenta uma mudança repentina em seu ambiente térmico, por exemplo, nos processos de tratamento térmico. Os métodos usados para se resolver tais problemas englobam o modelo de capacitância concentrada ou o modelo de sólido semi-infinito, transformada de Laplace, transformada integral, métodos numéricos (diferença finita, elemento finito, etc.) e métodos aproximados.
Considerando o contexto, avalie as afirmativas a seguir:
I. O método da capacitância concentrada é a hipótese de que a temperatura do sólido é espacialmente uniforme em qualquer instante durante o processo transiente.
II. No método da capacitância concentrada, o gradiente de temperatura no interior do corpo é levado em consideração nos cálculos.
III. Um processo de condução transiente inicia-se pela convecção imposta na superfície do sólido, mas dependendo do nível de temperatura, pode ocorrer transferência radiativa.
IV. Um problema simples e comum de condução transiente envolve um sólido que passa por uma súbita mudança no seu ambiente térmico.
Assinale a alternativa correta.
a. Apenas a alternativa III está correta.
b. Apenas as alternativas I, II e IV estão corretas.
c. Apenas a alternativa II está correta.
d. Apenas as alternativas I, III e IV estão corretas.
e. Apenas a alternativa I está correta.
Avaliação da Unidade
Questão 1.
Em uma unidade de processamento de carne, bifes de 3 cm de espessura inicialmente a 25°C são resfriados nas prateleiras de um grande refrigerador mantido a -15°C. Os bifes são colocados próximos um ao outro, de modo que a transferência de calor nas bordas de 3 cm de espessura é desprezível. O bife inteiro deve ser resfriado abaixo de 8°C, mas sua temperatura não deve cair abaixo de 2°C em qualquer ponto durante o resfriamento, para evitar o congelamento. O coeficiente de transferência de calor por convecção e, portanto, a taxa de transferência de calor a partir do bife podem ser controlados por meio da variação da velocidade da ventoinha de circulação. O bife pode ser tratado como uma camada homogênea tendo as propriedades: rho = 1200 kg/m3, cp = 4,10 W/m.K, k = 0,45 W/m.k e alpha = 9,03 x 10-8 m2/s.
O coeficiente de transferência de calor (h), que permite satisfazer ambas as restrições de temperatura, é
a. 5,0 W/m2.°C.
b. 10 W/m2.°C.
c. 25 W/m2.°C.
d. 15 W/m2.°C.
e. 20 W/m2.°C.
Questão 2.
Um trecho de tubos de água quente e fria de 5 m de comprimento corre paralelamente em uma espessa camada de concreto, de acordo com a figura abaixo. Os diâmetros de ambos os tubos são 5 cm, e a distância entre os centros dos tubos é 30 cm. As temperaturas das superfícies quente e fria dos tubos são 70°C e 15°C, respectivamente. A condutividade térmica do concreto como k = 0,75 W/m.K e o fator de forma dessa configuração é: 
 
-
A taxa de perda de calor entre os tubos, com as dimensões citadas anteriormente, é
a. 123 W.
b. 195 W.
c. 262 W.
d. 202 W.
e. 366 W.
Questão 3.
O número de Biot tem uma variedade de aplicações, incluindo o uso em cálculos de transferência de calor em superfícies estendidas. O significado físico do número de Biot pode ser razoavelmente compreendida imaginando-se o fluxo de calor a partir de uma pequena esfera de metal quente, repentinamente imerso em uma piscina, para o fluido circundante. O
fluxo de calor experimenta duas resistências: a primeira dentro do metal sólido (a qual é influenciada tanto pelo tamanho como pela composição da esfera), e o segundo na superfície da esfera.
Considerando o contexto, avalie as afirmativas a seguir:
I. Se a resistência térmica da interface fluido/esfera excede aquela resistência térmica oferecida pelo interior da esfera metálica, o número de Biot será menor que um.
II. Se a esfera de metal for grande, o comprimento característico aumenta a tal ponto que o número de Biot é maior que um.
III. Se a esfera for feita de um material isolante, tal como madeira ou isopor, a resistência interna ao fluxo de calor vai superar a da contorno fluido/esfera, mesmo com uma esfera muito menor. Neste caso, novamente, o número de Biot será maior do que um.
Dentre as afirmativas acima, é correto o que se afirma em:
a. Apenas a alternativa II está correta.
b. As alternativas I, II e III estão corretas.
c. Apenas a alternativa III está correta.
d. Apenas a alternativa I está correta.
e. Apenas as alternativas I e II estão corretas.
Questão 4.
O número de Biot (Bi) é usado para definir o método a ser utilizado na solução de problemas de transferência de calor transiente.
Se Bi > 0,1: usa-se as cartas de temperatura transiente.
Se Bi < 0,1: usa-se a análise.
Em geral, problemas envolvendo pequenos números de Biot (muito menores que 1) são termicamente simples, devido a campos de temperatura uniformes dentro do corpo. Números de Biot muito maiores que 1 apontam problemas de maior dificuldade devido a não uniformidade dos campos de temperatura dentro do objeto.
I - O número de Biot desempenha um papel importante nos problemas de condução que envolvem efeitos convectivos nas superfícies.
PORQUE
II -Fornece uma medida da queda de temperatura no sólido em relação à diferença de temperaturas entre a superfície e o fluido.
Relacionando as duas asserções citadas anteriormente, é correto afirmar que:
a. A asserção I é uma proposição falsa, e a II é uma proposição verdadeira.b. As asserções I e II são proposições falsas.
c. As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa da I.
d. As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa da I.
e. A asserção I é uma proposição verdadeira, e a II é uma proposição falsa.
Questão 5.
Considerando os problemas relacionados à condução bidimensional em regime estacionário, o método analítico envolve a elaboração de uma solução matemática exata. Em contraste com os métodos analíticos, que fornecem resultados exatos para qualquer ponto, os métodos gráficos e numéricos põem fornecer somente resultados aproximados para pontos discretos. Embora substituído por soluções computacionais baseadas em procedimentos num éticos, o método gráfico, ou de plotagem de fluxo, pode ser usado para obter uma rápida estimativa da distribuição de temperaturas.
I - O uso do método gráfico está restrito a problemas dimensionais envolvendo contornos adiabáticos e isotérmicos.
PORQUE
II - O método está baseado no fato de que isotermas têm que ser perpendiculares às linhas de fluxo de calor.
Relacionando as duas asserções citadas anteriormente, é correto afirmar que:
a. A asserção I é uma proposição verdadeira, e a II é uma proposição falsa.
b. As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa da I.
c. A asserção I é uma proposição falsa, e a II é uma proposição verdadeira.
d. As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa da I.
e. As asserções I e II são proposições falsas.