Exame - Fenômenos de Transporte 2021 1

Exame de FT – Eng. Civil – março 2021 Duração: 2 h 15 min (sem extensão de duração) Se detectado COLA, este Exame será zerado, sem apelo. Atenção ! RA:_______________________________ Parte I : Transferência de Calor IA. Problemática: (3,0 pontos) Os Pinguins-Imperadores (do prestigiado documentário “Marcha dos Pinguins” de Luc Jacquet (2006)) mostra a capacidade excepcional de isolamento térmico e estratégias coletivas de adaptação da espécie, onde várias centenas de pinguins, em grupos compactos muito grandes, enfrentam condições climáticas extremas por um longo período de tempo. Na verdade, os pinguins migram de muito longe da costa antártica para se reproduzir. Depois que o único ovo é posto, os machos irão chocar por mais de cem dias, enquanto as fêmeas voltam ao mar para se alimentar. Durante o período de procriação, que ocorre durante o inverno austral, a temperatura externa média é de -20 oC a -30 oC dependendo do local e do vento que pode soprar em tempestades de até 40 m/s (140-160 km/h). Os machos não comem nada durante este período tendo que sobreviver com suas reservas de gordura. Os pinguins-imperadores são as maiores espécies de pinguins: seu tamanho médio é de 1,2 m e sua massa corporal média de 35 kg. Possuem uma camada de gordura de 2 cm e uma camada de penas de 1,5 cm de espessura. A atividade metabólica dos pinguins é ajustada ao fluxo de perda de calor, de modo a manter uma temperatura interna Ti constante (fenômeno de termorregulação). Assim, o chocador macho, dependendo da duração de seu “jejum” fisiológico, perde de 10 a 15 kg, ou 30 a 45% de sua massa inicial, quando, enfim, retorna ao mar para se alimentar. Pretende-se neste exercício “real” estimar as trocas térmicas entre o pinguim (Ti =35 oC) e o ambiente, na ausência total de escoamento no ar ambiente e sem considerar eventuais perdas de calor na cabeça (não protegida) da ave e entre a parte inferior do corpo e o gelo. Assim exposto, pede-se: (Responder apenas ao que está sendo pedido). a) representar um circuito elétrico equivalente que possa traduzir as trocas térmicas, em considerando como escala característica de comprimento da condução no ar o valor ; b) Fornecer a expressão da resistência térmica em geometria cilíndrica; c) Idem em geometria plana. Comentar em função do item (b); d) Calcular o fluxo de calor (em Watts) em considerando a temperatura ambiente de – 20 oC ;  = 1 cm e 0.026, 0.035 e 0.20 W/m.K as condutividades térmicas do ar, plumas e gordura, respectivamente; e) Exprimir a expressão do fluxo de calor do item (d) por unidade de massa do animal; f) Comentar o resultado do item (e) e a razão pela qual os pinguins (em estratégia coletiva de adaptação) se agrupam em centenas de indivíduos. Parte IB: Questão Técnica IB. (3,5 pontos) A figura 1 ilustra um caldeirão metálico com alça de raio = 1 cm e de meio metro de comprimento. As duas partes inferiores da alça estão conectadas ao caldeirão que está a uma temperatura de T graus celsius (T  [80,90] ) (escolha um valor do intervalo). Figura 1 O objetivo é determinar o campo térmico no corpo da haste (alça) de cobre. Para isso, pede-se: a. Delinear as hipóteses (de geometria e térmicas) para resolução do problema; b. Determinar a temperatura à meia distância da alça metálica. Mostrar todo o procedimento e cálculo para chegar a esse valor. Justificar suas escolhas para os coeficientes térmicos e temperaturas de referência; c. Se o valor da condutividade térmica for reduzida em 10 vezes, qual seria a variação percentual da temperatura no mesmo ponto da alça? II.2 (3,5 pontos) Uma bomba é utilizada para bombear água do reservatório A para o reservatório B, porém existe uma perda de energia de 11000 W ao longo de toda tubulação. Para realizar o controle da vazão, um medidor do tipo Venturi é utilizado e nele encontram-se duas instalações de manômetros, uma na seção maior e outra na menor, estes manômetros têm como fluido manométrico o mercúrio e quando a bomba está em plena operação ℎ1 = ℎ2 e a = b (Figura 2). Dados: • Aceleração da gravidade 9.81 m/s²; • 𝜌 do mercúrio = 13600 𝑘𝑔/m³; • Diâmetro da tubulação (300 mm); • Despreze as perdas de carga no estrangulamento do medidor Venturi. Figura 2 Com base no enunciado e nos dados da Figura 2, calcule a potência da bomba em kW.