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Exercício sobre transferência de calor do professor Ribeiro...

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EXERCÍCIO Com base nos conhecimentos adquiridos sobre transferência de calor, identificar as características de transmissão de calor de cada uma das imagens abaixo, correspondentes a representações de diferentes configurações internas de uma garrafa térmica.

Configuração 1:

Configuração 2:

R:

Na configuração 1, primeiramente, há uma troca de calor por condução entre o café e a parede do frasco de plástico, regida pela equação 1. Q cond=k .

[ ]

A ( T 1−T 2 ) W L m°C

(1)

Onde: 

Qcond é o calor trocado por condução;



k é a condutividade térmica do frasco de plástico;



A é a área superficial do frasco;



T1 é a temperatura do café (maior temperatura);



T2 é a temperatura da parede externa do frasco;



L é a espessura do plástico. Assim que este fluxo de calor faz esquentar a parede externa do frasco de

plástico, este, por sua vez, realiza dois tipos de transmissão. A primeira por convecção, aquecendo o ar presente dentro do espaço entre a parede externa do frasco e a parede interna da cobertura, o qual possui um coeficiente de convecção, para este caso, entre 5 e 30 W/m2.K. A segunda por radiação, a qual é emitida novamente da parede externa do frasco para a parede interna da cobertura. Para ilustrar os casos citados anteriormente, têm-se, respectivamente, as equações 2 e 3. Q conv =hA ( T S −T ∞ ) Q rad =εAσ ( T

4 superfície

−T

(2) 4 vizinhança

)

(3)

Onde: 

h é o coeficiente de convecção do ar;



A é a área da parede externa do frasco de plástico;



TS e Tsuperfície são a temperatura da parede externa do frasco de plástico;



T∞ e Tvizinhança são a temperatura da parede interna da cobertura;



σ

é a constante de Stefan-Boltzmann (igual a 5,67.10-8 W/m2K);



ε

é o coeficiente de emissividade da parede externa do frasco.

Novamente, quando a cobertura esquenta, esta também transmite calor da sua parede interna para sua parede externa por condução, e da sua parede externa para a

câmara de ar e para a parede interna da garrafa por convecção e radiação, respectivamente. Em suma, a perda de calor total dentro deste tipo de garrafa é considerado alto, pois o café transmite calor para as paredes do frasco de plástico e da cobertura e as camadas de ar presentes entre as paredes. Logo, apesar de conseguir reter calor, graças aos coeficientes térmicos de cada um dos componentes envolvidos, esta retenção só se dá por um baixo período de tempo, uma vez que todas as formas de transmissão de calor ocorrem neste recipiente sem nada para tentar inibi-las, apenas refreá-las. Na configuração 2, entretanto, existem algumas considerações a serem feitas que tornam a retenção de calor da garrafa mais eficiente justamente por inibir algumas formas de transmissão em alguns pontos do sistema. Primeiramente, na parede externa do frasco de plástico existe uma face de vidro. Este, apesar de possuir um coeficiente de condutividade térmica maior que o do ar, possui um coeficiente de emissividade térmica próximo a zero, o que garante que haja pouca perda de calor por radiação. Em segundo lugar, o espaço entre o frasco de plástico e a cobertura é preenchido com vácuo. Este fato garante que não haja transmissão de calor nem por convecção nem por condução, como ocorria na primeira configuração. Assim, a única perda possível é a por radiação, o que reduz a perda de calor nessa primeira interface. Em terceiro lugar, a parede de vidro espelhada garante não só uma baixa emissividade térmica como também é capaz de refletir parte do calor para o interior da garrafa, fazendo com que sua dissipação para a camada de ar seguinte e para o exterior sejam as mínimas possíveis. Em suma, para a segunda configuração da garrafa térmica, existem menos perdas que na primeira configuração, garantindo assim que o café permaneça aquecido por mais tempo. Um adendo que pode ser feito é sobre a tampa da garrafa. Em ambos os casos, como ela está próxima ao café quente, ou até mesmo em contato com ele, ela também é responsável por parte da perda de calor do recipiente, sendo esta perda dada por condução do fundo da tampa, próximo ao café, para o topo da tampa, em contato com

o meio externo. Contudo, por seu efeito ser aproximadamente igual em cada uma das garrafas, sua perda de calor não entra no mérito das reais diferenças entre os recipientes....