LISTA DE EXERCICIOS COM GABARITO MECANICA DOS FLUIDOS

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Transmissão de Calor – Capítulo 1 - CONDUÇÃO
Exercícios Sugeridos
A câmara de um freezer é um espaço cúbico com 2 m de lado. Considere o fundo como sendo completamente isolado. Qual a espessura mínima de um isolamento à base de espuma de poliestireno (k=0,030W/m . K) que deve ser aplicado nas paredes do topo e dos lados para garantir que a carga térmica que entra no freezer seja inferior a 500W quando a superfície interna e externa encontram-se a -10 e 35°C, respectivamente?
Resposta: 54 mm
Qual a espessura necessária para uma parede de alvenaria com condutividade térmica de 0,75W/m . K se a taxa de transferência de calor através dessa parede de calor através dessa parede deve ser equivalente a 80% da taxa de transferência de calor através de uma parede estrutural com condutividade térmica de 0,25W/m . K e espessura de 100mm? As superfícies de ambas as paredes estão sujeitas a mesma diferença de temperatura.
Resposta: 375 mm
Transmissão de Calor – Capítulo 1 - CONVECÇÃO
 
Um circuito integrado (chip) quadrado com lado w=5mm opera em condições isotérmicas. O chip está alojado no interior d um substrato de modo que as superfícies laterais e inferior estão bem isoladas termicamente, enquanto sua superfície superior encontra-se exposta ao escoamento de uma substância refrigerante a T(=15°C. A partir de testes de controle de qualidade, sabe-se que a temperatura do chip não deve exceder T=85°C.
Se a substância refrigerante é o ar, com coeficiente de transferência de calor por convecção correspondente de h=200W/m2 . K, qual a potência máxima que pode ser dissipada pelo chip? Se a substância refrigerante for um líquido dielétrico para o qual h=3.000W/m2 . K, qual a potência máxima dissipada pelo chip?
Resposta: 0,35 W / 5,25 W
Considere as condições do problema anterior. Com apenas transferência de calor por convecção para ar, achou-se que a potência máxima permitida para o circuito integrado (chip) era de 0,35W. Se a transferência líquida de calor por radiação da superfície do chip para uma grande vizinhança a 15°C também for considerada, qual é o aumento percentual na potência máxima que pode ser dissipada pelo chip? A emissividade da superfície do chip é de 0,9.
Resposta: 3,5 %
Um aquecedor elétrico de cartucho possui a forma de um cilindro com comprimento L=200mm e diâmetro externo De=20mm. Em condições normais de operação, o aquecedor dissipa 2kW, quando submerso em um corrente de água a 20°C, onde o coeficiente de transferência de calor por convecção é de h=5000W/m2 . K. Desprezando a transferência de calor a partir das extremidades do aquecedor, determine a sua temperatura superficial Tsup. Se o escoamento da água é inadvertidamente interrompido e o aquecedor permanece em operação, sua superfície passa a estar exposta ao ar, que também se encontra a 20°C, mas para o qual h=50W/m2 . K. Qual a temperatura superficial correspondente? Quais as conseqüências de tal evento?
Respostas: água T = 51,8°C / ar T = 3203°C
Transmissão de Calor – Capítulo 1 - RADIAÇÃO
 
Uma superfície com área de 0,5m2, emissividade de 0,8 e temperatura de 150°C é colocada no interior de uma grande câmara de vácuo cujas paredes são mantidas a 25°C. Qual a taxa de emissão de radiação pela superfície? Qual a taxa radiante líquida trocada entre a superfície e as paredes da câmara?
Resposta: 726 W e 547 W
Transmissão de Calor – Capítulo 1 
BALANÇO DE ENEGIA E EFEITOS COMBINADOS
 
Uma chapa de alumínio com 4mm de espessura é colocada em posição horizontal, estando sua superfície isolada termicamente. Um fino revestimento especial é aplicado sobre a sua superfície superior, de tal modo que ele absorve 80% da radiação solar incidente, enquanto sua emissividade é de 0,25. A densidade ( e o calor específico c do alumínio são 2.700kg/m3 e 900J/kg . K, respectivamente.
Considere condições onde a chapa se encontra inicialmente a uma temperatura de 25°C, quando, de repente, sua superfície é exposta ao ar ambiente a T(=20°C e a radiação solar, que fornece um fluxo incidente de energia de 900W/m2. O coeficiente de transferência de calor por convecção entre a superfície e o ar é de h=20W/m2 . K. Qual a taxa inicial de variação de temperatura na chapa?
Qual será a temperatura de equilíbrio da chapa quando o processo atingir condições de regime estacionário?
As propriedades radiantes da superfície dependem da natureza do revestimento aplicado. Compute e plote a temperatura da chapa em regime estacionário em função da emissividade para 0,05 ( ( ( 1, mantendo todas as outras condições como definidas nos itens anteriores. Repita seus cálculos para valores de (sup=0,5 e 1,0 e plote os seus resultados com aqueles obtidos em (sup=0,8. Se o objetivo é maximizar a temperatura da chapa, qual a combinação de valores mais desejável para emissividade da chapa e sua absortividade em relação a radiação solar?
Resposta: a) dT/dx = 0,052 °C/s, b)Tp = 48 °C
Um fino elemento de aquecimento elétrico fornece um fluxo de calor uniforme, q’’e, à superfície externa de um duto, através do qual há escoamento de ar. As paredes do duto possuem espessura de 10mm e condutividade térmica de 20W/m . K.
Em um determinado ponto a temperatura do ar é 30°C e o coeficiente de transferência de calor por convecção entre o ar e a superfície interna do duto é de 100W/m2 . K. Qual o fluxo de calor q”e necessário para manter a temperatura da superfície interna do duto a Ti=85°C?
Para as condições do item (a), qual a temperatura (Te) da superfície do duto próximo ao aquecedor?
Para uma temperatura Ti=85°C, calcule e plote os valores de q”e em função do coeficiente de transferência de calor por convecção para o ar, h, na faixa 10 ( h ( 200W/m2 . K. Discuta sucintamente seus resultados.
Respostas: a) q”e = 5500 W/m2, b) 87,8 °C
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