Lista de Exercícios no 7 Balanço de Energia Térmica Introdução a Transferência de Calor Condução-2021 2

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA EMC 5425 - Fenômenos de Transporte Prof: Emilio E. Paladino Lista de Exercícios No 7 – Balanço de Energia Térmica. Introdução a Transferência de Calor. Condução. Questão 1 Em um experimento, é passada uma corrente de 2 A, com uma fonte de 220 V através de uma placa de cobre, que é isolada em todas suas superfícies, a menos da superior. Nesta face é colocada uma placa com as mesmas dimensões de um material do qual se deseja conhecer sua condutividade térmica (ki), utilizando uma pasta condutora para minimizar qualquer resistência de contato. Se as placas tem dimensões de 5 cm x 5 cm, e a espessura é de 5 mm, determine sua a condutividade térmica. O termopares (sensores de temperatura, são colocado na superfície superior e na interface entre as placas). Questão 2 Um chip quadrado de largura w = 5 mm, que opera em condições iso-térmicas, é montado em um substrato de modo que suas superfícies lateral e inferior estão bem isoladas, enquanto a superfície frontal está exposta ao fluxo do fluido refrigerante a T = 15 ° C. A partir de considerações de confiabilidade, a temperatura do chip não deve ser superior a T= 85 ° C. Se o fluido refrigerante é ar e o coeficiente correspondente a convecção é h = 200 W/m2 K, qual é a potencia máxima permitida para o chip? Se o fluido refrigerante é um fluido dielétrico para o qual h = 3000 W/m2 K, qual seria a potência máxima permitida? Questão 3 Considere as condições do problema anterior. Com a transferência de calor por convecção para o ar, a potência do chip máxima permitida é de 0,35 W. Se também é considerada a transferência líquida de calor por radiação da superfície do chip para uma grande vizinhança a 15 °C, qual é a porcentagem de aumento em potência máxima admissível no chip com base nesta consideração? A superfície do chip tem uma emissividade de 0,9. Questão 4 Um resistor elétrico é conectado a uma bateria, como mostrado no diagrama. Após um curto período em condições transientes, o resistor atinge uma temperatura de equilíbrio de 95 °C, aproximadamente uniforme. A bateria e os fios condutores permanecem à temperatura ambiente de 25 ° C. Desconsidere a resistência elétrica dos cabos de ligação. Considere o resistor como um sistema ao redor do qual encontra-se um superfícies de controle a aplica-se a equação 1.11c, T = 75 oC T = 25 oC V 2/4 acu ent sai g dE E E E dt = − + a. Determine os valores correspondentes de EENT (W), ESAI (W), EG (W), e EACU (W). Se você colocar uma superfície de controle em torno do sistema como um todo, quais são os valores destes termos. b. Se a energia é dissipada uniformemente dentro do resistor, que é um cilindro com D = 60 mm e comprimento L = 25 mm, qual é a taxa de geração volumétrica de calor, q'' (W/m3)? c. Desprezando a radiação, qual é o coeficiente de convecção? Questão 5 A variação de temperatura com a posição em uma parede é mostrada na figura ao lado para um tempo específico, t1, durante um processo transiente. A parede está esfriando ou aquecendo? Questão 6 Dado os esquemas das figuras, com Tw = 30oC, T = 10oC, b=10cm , R2= 20cm e R1=10cm, k = 0,2 W/m K, h = 2 W/m2 K, plote, esquematicamente, a distribuição de temperatura (T(x) ou T(r)). Calcule o fluxo de calor, q" em x=0, no caso retangular e em r=R1 no caso circular. Questão 7 Dado o esquema de isolamento mostrado no figura, com T1 = 30oC, T2 = 15oC, b=10cm, plote, esquematicamente, a distribuição de temperatura (T(x)) para as seguintes situações: h1 k h2 10 W/m2 K 1 W/m K 10 W/m2 K 10000 W/m2 K 10 W/m K 1 W/m2 K 10000 W/m2 K 0,1 W/m K 100 W/m2 K 0,1 W/m2 K 10 W/m K 1 W/m2 K Calcule os números de Biot, Bi1 = h1b/ k1 e Bi2 = h2b/ k2 Questão 8 Dado o esquema de isolamento mostrado no figura, com T1 = 30oC, T2 = 15oC e h = 10 W/m2 K: Plote, esquematicamente, a distribuição de temperatura (T(x)) para as seguintes situações: b1 b2 b3 k1 k2 k3 10 cm 5cm 10cm 2 W/m K 1 W/m K 2 W/m K 5 cm 10cm 5cm 1 W/m K 2 W/m K 1 W/m K Determine em todos os casos da tabela, o coeficiente global de transferência de calor e o fluxo entre os fluidos 1 e 2. h, T1 h, T2 x b1 b2 b3 k1 k2 k3 h1, T1 h2, T2 b k x h, T b k x Tw h, T R1 r Tw R2 k 3/4 Questão 9 Considerando que o chip mostrado na figura é muito mais cumprido do que largo (isto é, pode ser aplicada uma modelagem 1D), Determine uma expressão para a distribuição de temperatura do chip e calcule a temperatura máxima no mesmo. Questão 10 Determine a distribuição de temperatura em uma laje de concreto em processo de curagem, onde S é o calor de curagem e k a condutividade térmica e TS a temperatura das superfícies superior e inferior. Determine a. A Temperatura máxima na laje b. A taxa de transferência de calor para o ambiente, considerando que a laje tem 0,5 m de comprimento e 1m de largura (profundidade). Isolante h W=V I T Ach x b k x y 2h T(y)