TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA - LISTA DE EXERCÍCIOS 01

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LISTA DE EXERCÍCIOS 
Fonte: BERGMAN, T., LAVINE, S., INCROPERA, P., DEWITT, P.. Fundamentos de Transferência de 
Calor e de Massa, 7ª edição. LTC, 01/2014. VitalBook file. 
CAPÍTULO 1 
Condução 
1.1 Informa-se que a condutividade térmica de uma folha de isolante extrudado rígido 
é igual a k = 0,029 W/(m · K). A diferença de temperaturas medida entre as superfícies 
de uma folha com 20 mm de espessura deste material é T1 − T2 = 10°C. 
(a) Qual é o fluxo térmico através de uma folha do isolante com 2 m × 2 m? 
(b) Qual é a taxa de transferência de calor através da folha de isolante? 
1.2 O fluxo térmico que é aplicado na face esquerda de uma parede plana é q″ = 20 
W/m2. A parede tem espessura igual a L = 10 mm e sua condutividade térmica é k = 12 
W/(m · K). Se as temperaturas superficiais forem medidas, sendo iguais a 50°C no lado 
esquerdo e 30°C no lado direito, condições de regime estacionário estão presentes? 
1.4 A laje de concreto de um porão tem 11 m de comprimento, 8 m de largura e 0,20 
m de espessura. Durante o inverno, as temperaturas são normalmente de 17°C e 10°C 
em suas superfícies superior e inferior, respectivamente. Se o concreto tiver uma 
condutividade térmica de 1,4 W/(m · K), qual é a taxa de perda de calor através da laje? 
Se o porão for aquecido por um forno a gás operando a uma eficiência de ηf = 0,90 e o 
gás natural estiver cotado a Cg = 0,02 $/MJ, qual é o custo diário da perda térmica? 
 
1.6 O fluxo térmico através de uma lâmina de madeira, com espessura de 50 mm, 
cujas temperaturas das superfícies interna e externa são 40 e 20°C, respectivamente, foi 
determinado, sendo igual a 40 W/m2. Qual é a condutividade térmica da madeira? 
 
1.12 Um recipiente barato para alimentos e bebidas é fabricado com poliestireno (k = 
0,023 W/(m · K)), com espessura de 25 mm e dimensões interiores de 0,8 m × 0,6 m × 
0,6 m. Sob condições nas quais a temperatura da superfície interna, de 
aproximadamente 2°C, é mantida por uma mistura gelo-água e a temperatura da 
superfície externa de 20°C é mantida pelo ambiente, qual é o fluxo térmico através das 
paredes do recipiente? Considerando desprezível o ganho de calor pela base do 
recipiente (0,8 m × 0,6 m), qual é a carga térmica total para as condições especificadas? 
 
1.14 Uma parede é feita com um material não homogêneo (não uniforme) no qual a 
condutividade térmica varia ao longo da espessura na forma k = a x + b, sendo a e b 
constantes. Sabe-se que o fluxo térmico é constante. Determine expressões para o 
gradiente de temperatura e para a distribuição de temperaturas quando a superfície em x 
= 0 está a uma temperatura T1. 
 
 
1.16 Um circuito integrado (chip) quadrado de silício (k = 150 W/(m · K)) possui lados 
com w = 5 mm e espessura t = 1 mm. O circuito é montado em um substrato de tal 
forma que suas superfícies laterais e inferior estão isoladas termicamente, enquanto a 
superfície superior encontra-se exposta a um refrigerante. Se 4 W estão sendo 
dissipados nos circuitos montados na superfície inferior do chip, qual é a diferença entre 
as temperaturas das superfícies inferior e superior no estado estacionário? 
 
Convecção 
1.18 Você vivenciou um resfriamento por convecção se alguma vez estendeu sua mão 
para fora da janela de um veículo em movimento ou a imergiu em uma corrente de 
água. Com a superfície de sua mão a uma temperatura de 30°C, determine o fluxo de 
calor por convecção para (a) uma velocidade do veículo de 35 km/h no ar a −5°C com 
um coeficiente convectivo de 40 W/(m2 · K), e para (b) uma corrente de água com 
velocidade de 0,2 m/s, temperatura de 10°C e coeficiente convectivo de 900 W/(m2 · 
K). Qual a condição que o faria sentir mais frio? Compare esses resultados com uma 
perda de calor de aproximadamente 30 W/m2 em condições ambientais normais. 
1.20 Uma parede tem temperaturas superficiais interna e externa iguais a 16 e 6°C, 
respectivamente. As temperaturas do ar interno e externo são 20 e 5°C, respectivamente. 
Os coeficientes de transferência de calor por convecção nas superfícies interna e externa 
são 5 e 20 W/(m2 · K), respectivamente. Calcule os fluxos térmicos do ar interior para a 
parede, da parede para o ar exterior, e da parede para o ar interior. Está a parede sob 
condições de regime estacionário? 
 
1.22 O coeficiente de transferência de calor por convecção natural sobre uma chapa 
quente, fina e na posição vertical, suspensa no ar em repouso, pode ser determinado 
através da observação da variação da temperatura da chapa com o tempo, na medida em 
que ela esfria. Considerando a placa isotérmica e que a troca de calor por radiação com 
a vizinhança seja desprezível, determine o coeficiente de convecção no instante de 
tempo no qual a temperatura da chapa é de 225°C e a sua taxa de variação com o tempo 
(dT/dt) é de −0,022 K/s. A temperatura do ar ambiente é de 25°C, a chapa mede 0,3 × 
0,3 m, possui massa de 3,75 kg, com um calor específico de 2770 J/(kg · K). 
 
1.23 Uma caixa de transmissão, medindo W = 0,30 m de lado, recebe uma entrada de 
potência de Pent = 150 hp vinda do motor. Sendo a eficiência de transmissão η = 0,93; 
com o escoamento do ar caracterizado por T∞ = 30°C e h = 200 W/(m
2 · K), qual é a 
temperatura superficial da caixa de transmissão? 
 
1.26 Um chip quadrado, com lado w = 5 mm, opera em condições isotérmicas. O chip é 
posicionado em um substrato de modo que suas superfícies laterais e inferior estão 
isoladas termicamente, enquanto sua superfície superior encontra-se exposta ao 
escoamento de um refrigerante a T∞ = 15°C. A partir de considerações de 
confiabilidade, a temperatura do chip não pode exceder a T = 85°C. Sendo a substância 
refrigerante o ar, com um coeficiente de transferência de calor por convecção 
correspondente h = 200 W/(m2 · K), qual é a potência máxima permitida para o chip? 
Sendo o refrigerante um líquido dielétrico para o qual h = 3000 W/(m2 · K), qual é a 
potência máxima permitida? 
 
 
 
Radiação 
1.28 Uma tubulação industrial aérea de vapor d’água não isolada termicamente, com 25 
m de comprimento e 100 mm de diâmetro, atravessa uma construção cujas paredes e o 
ar ambiente estão a 25°C. Vapor pressurizado mantém uma temperatura superficial na 
tubulação de 150°C e o coeficiente associado à convecção natural é de h = 10 W/(m2 · 
K). A emissividade da superfície é ε = 0,8. 
(a) Qual é a taxa de perda de calor na linha de vapor? 
(b) Sendo o vapor gerado em uma caldeira de fogo direto, operando com uma eficiência 
de η = 0,90; e o gás natural cotado a Cg = $0,02 por MJ, qual é o custo anual da perda de 
calor na linha? 
1.30 Uma sonda interplanetária esférica, de diâmetro 0,5 m, contém eletrônicos que 
dissipam 150 W. Se a superfície da sonda possui uma emissividade de 0,8 e não recebe 
radiação de outras fontes como, por exemplo, do Sol, qual é a sua temperatura 
superficial?