7/24/2019 Lista de Exerccios _cap 01

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Lista de ExercciosCap1: Mecanismos de transferncia de calor e balano de energia

1) A gua aquecida em tubo isolado de dimetro constante por um aquecedor de

resistncia eltrica de 8 kW. Considerando que a gua entra no aquecedor

permanentemente a 18 C e sai a 60 C determine a vazo mssica de gua.

2) Em estado lquido, 1,2 kg de gua, inicialmente a 15 C, deve ser aquecido a 95 C

em um bule equipado com um elemento de aquecimento eltrico de 1.200 W. O bule de

0,5 kg tem calor mdio especfico de 0,7 kJ/kg K. Tomando o calor especfico da gua

de 4,18 kJ/kg K e desprezando perda de calor de bule, determine quanto tempo vai

demorar para a gua ser aquecida (R: 6 min)

3) Um recipiente fechado (garrafa trmica) cheio de caf quente encontra-se em uma

sala cujo ar e paredes esto a uma temperatura fixa. Identifique todos os processos que

contribuem para o resfriamento do caf. Comente sobre as caractersticas que

contribuiriam para um melhor projeto do recipiente. (Obs: o recipiente constitudo por

um frasco de plstico, um espao contento ar e outro invlucro plstico)

4) Qual a espessura necessria para uma parede de alvenaria com condutividade trmica

de 0,75 W/mK se a taxa de transferncia de calor atravs dessa parede deve ser

equivalente a 80% da taxa de transferncia atravs de uma parede estrutural com

condutividade trmica de 0,25 W/mK e espessura de 100mm? As superfcies de ambas

as paredes esto sujeitas mesma diferena de temperatura. (375 mm)

5) Uma panela de alumnio cuja condutividade trmica 237 W/mK tem fundo plano de

15 cm de dimetro e 0,4 cm de espessura. O calor transferido em regime permanente

para ebulir a gua por meio do fundo da panela a uma taxa de 1400 W. Se a superfcie

interna do fundo da panela est a 105 C determine a temperatura da superfcie externa

do fundo da panela.

6) A Cmara de um freezer um espao cbico com 2 m de lado. Considere como o

fundo sendo perfeitamente isolado. Qual a espessura mnima de isolamento base de

espuma de poliestireno (k = 0,030 W/mK) que deve ser aplicado nas paredes do topo e

dos lados para garantir que a carga trmica que entra no freezer seja inferior a 500W,

quando as suas superfcies interna e externa se encontram a -10C e 35C,

respectivamente? (54 mm)

7) Uma sala de aula normalmente contm 50 pessoas deve ser equipada com umaunidade de ar-condicionado de janela de 5 kW de capacidade de refrigerao. Pode-se

assumir que uma pessoa em repouso dissipa calor a uma taxa de 360 kJ/h. Existem 10

lmpadas eltricas na sala, cada uma com potncia de 100 W. A taxa de transferncia de

calor para a sala de aula, atravs das paredes e das janelas estimada em 12.000 kJ/h.

Considerando que o ar da sala deve ser mantido a uma temperatura constante de 21 C,

determine o nmero necessrio de unidades de ar-condicionado de janela. (R: 2

unidades)

8) Em uma usina de potncia, tubos de transporte de vapor superaquecido so muito

comuns. Vapor superaquecido escoa a uma taxa de 0,3 kg/s dentro do tubo de 5 cm de

dimetro e 10 m de comprimento. O tubo est localizado a 20 C na temperatura desuperfcie uniforme de 100 C. Considere que a queda de temperatura entre a entrada e a

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sada do tubo 30 C e o calor especfico do vapor 2190 J/kg K, determine o

coeficiente de transferncia de calor por conveco.

9) Uma corrente eltrica de 5 A passa atravs de um resistor que tem tenso medida de

6 V. O resistor cilndrico cilndrico, com 2,5 cm de dimetro e 15 cm de

comprimento e tem uma temperatura uniforme de 90 C, enquanto a temperatura doambiente de 20 C. Assumindo que a troca de calor por radiao desprezvel,

determine o coeficiente de transferncia de calor.(R: 33,6 W/m2K)

10) Ar a 40C escoa sobre um cilindro longo, com 25 mm de dimetro, que possui um

aquecedor eltrico em seu interior. Durante uma bateria de testes foram tomadas

medidas da potncia dissipada por umidade de comprimento do cilindro (P), necessria

para manter a temperatura da superfcie do cilindro em 300 C para diferentes

velocidades (V) da corrente de ar, medidas em uma posio afastada da superfcie. Os

resultados obtidos foram os seguintes:

V (m/s) do ar 1 2 4 8 12

Potncia (P) (W/m) 450 658 983 1507 1963a) determine o coeficiente de transferncia de calor por conveco para cada velocidade

e apresente seu resultado em um grfico.

b) Supondo que o coeficiente de conveco depende da velocidade de escoamento do ar

de acordo com uma relao do tipo h=CVn, determine os parmetros C e n para os

resultados obtidos da parte a. (h= 22 W/m2 K, h no linear com relao a

velocidade do ar; C=22,12 e n =0,6)

11) O revestimento de uma placa curado atravs de sua exposio a uma lmpada de

infravermelho que fornece uma irradiao uniforme de 2000 W/m2. Ela absorve 80% da

irradiao e possui uma emissividade de 0,50. A placa tambm se encontra exposta a

uma corrente de ar e a uma grande vizinhana, cujas temperaturas so de 20C e 30C,

respectivamente. Se o coeficiente de transferncia de calor por conveco entre a placa

e o ar ambiente de 15 W/m2K, qual a temperatura da placa?

b) As caractersticas finais do revestimento, incluindo uso e durabilidade, so

sabidamente dependentes da temperatura na qual efetuada a cura. Um sistema de

escoamento de ar capaz de controlar a velocidade do ar e, portanto o coeficiente

convectivo sobre a superfcie curada. Entretanto, o engenheiro de processo precisa saber

como a temperatura depende deste coeficiente convectivo fornea a informao

desejada calculando e representando graficamente a temperatura superficial em funo

do valor de h par 2 h 200 W/m2K. Que valor de h forneceria uma temperatura de

cura de 50C?

12) As superfcies interna e externa de uma janela de vidro de 0,5 cm de espessura e

rea de 2 x 2 m no inverno tm 10 C e 3 C, repectivamente. Considerando que a

condutividade trmica do vidro 0,78 W/mK, determine a perda de calor atravs do

vidro ao longo do perodo de 5 h. Qual seria a sua resposta se a espessura do vidro fosse

1 cm? (R: 78,6 MJ, 39,3 MJ)

13) Uma superfcie com rea de 0,5m2, emissividade de 0,8 e temperatura de 150C

colocada no interior de uma grande cmara de vcuo cujas paredes so mantidas a 25C.

Qual a taxa de emisso de radiao pela superfcie? Qual a taxa radiante lquida trocada

entre a superfcie e as paredes da cmara? (726 W e 547 W

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14) Para efeitos de transferncia de calor, um homem em p pode ser modelado como

um cilindro vertical de 30 cm de dimetro e 170 cm de altura com as superfcies

superior e inferior isoladas e com a superfcie lateral na temperatura mdia de 34 C.

Para um coeficiente de transferncia de calor por conveco de 8 W/m2 K, determine a

taxa de perda de calor por conveco desse homem no ambiente a 18 C (R: 205 W)

15) A temperatura de ebulio do nitrognio em presso atmosfrica no nvel do mar

(1atm) -196 C. Por isso, o nitrognio comumente usado em estudos cientficos em

baixa temperatura, j que a temperatura do nitrognio lquido em tanque aberto para a

atmosfera se mantm constante em -196 C at acabar o nitrognio lquido no tanque.

Qualquer transferncia de calor no tanque resultar na evaporao do nitrognio lquido,

que tem calor de vaporizao de 198 kJ/kg e densidade de 810 kg/m3a 1 atm.

Considere um tanque esfrico de 4 m de dimetro inicialmente cheio com nitrognio

lquido a 1 atm e -196 C. O tanque exposto ao ar ambiente a 20C com um coeficiente

de transferncia de calor de 25 W/m2. A temperatura do tanque esfrico de casca fina

quase a mesma do nitrognio no interior. Desprezando qualquer troca de calor por

radiao, determine a taxa de evaporao do nitrognio.

16) Um circuito integrado (chip) quadrado de lado igual a 5 mm opera em condies

isotrmicas. O chip est alojado no interior de um substrato de modo que as superfcies

laterais e inferior esto bem isoladas termicamente, enquanto sua superfcie superior

encontra-se exposta ao escoamento de uma substncia refrigerante a 15C. A partir de

testes de controle de qualidade, sabe-se que a temperatura do chip no deve exceder a

85C. a) Se a substncia refrigerante o ar, com coeficiente de transferncia de calor

por conveco de 200 W/m2K, qual a potncia mxima dissipada pelo chip. B) Se a

substncia refrigerante for um fluido dieltrico para o qual o coeficiente de transferncia

de calor por conveco 3000 W/m2K, qual a potncia mxima dissipada pelo chip. C)

Se a transferncia de lquida de calor por radiao da superfcie do chip para uma

grande vizinhana tambm for considerada, qual o aumento percentual na potncia

mxima que pode ser dissipada pelo chip (emissividade do chip = 0,9). (0,35 W,

5,25W, 3,5%)

17) Um reservatrio esfrico de ao inoxidvel de 3 m de dimetro interno e 1 cm de

espessura utilizado para armazenar uma mistura de gua e gelo a 0 C. O reservatrio

est a 25 C. Assumindo que a temperatura da superfcie externa do tanque de ao est a

0 C, determine (a) a taxa de transferncia de calor para a mistura gua e gelo no

reservatrio, (b) a quantidade de gelo que derrete durante um perodo de 24 horas. O

calor de fuso de gua de 333,7 kJ/kg. A emissividade da superfcie externa doreservatrio 0,85 e o coeficiente de transferncia de calor por conveco da superfcie

externa de 25 W/m2K. Assuma a temperatura mdia da superfcie do entorno

(vizinhana) igual a 20 C.