Uma parede constitui-se de duas chapas sobrepostas, feitas de diferentes materiais. Os coeficientes de
condutibilidade térmica e as espessuras das chapas são iguais k1, d1
e k2, d2 respectivamente. As temperaturas das superfícies externas
das paredes são iguais a T1 e T2 (T1 >
T2) e mantêm-se constantes. Determinar:
a) A temperatura na superfície de interface entre as duas chapas;
b) Se as espessuras das duas chapas forem iguais, qual o coeficiente de condutibilidade térmica da parede.
Dados do problema:
- Coeficiente de condutibilidade térmica da chapa 1: k1;
- Espessura da chapa 1: d1;
- Temperatura externa da chapa 1: T1;
- Coeficiente de condutibilidade térmica da chapa 2: k2;
- Espessura da chapa 2: d2;
- Temperatura externa da chapa 2: T2.
Solução
a) O fluxo de calor é dado por
\[ \bbox[#99CCFF,10px]
{\phi =kA\frac{\left(t_{1}-t_{2}\right)}{e}}
\]
O calor passa do meio de maior temperatura
T1 para o meio de menor temperatura
T2, sendo
Ti a temperatura na interface das duas chapas e
A a
área delas, o fluxo através da chapa 1 é dado por
\[
\begin{gather}
\phi_{1}=k_{1}A\frac{\left(T_{1}-T_{i}\right)}{d_{1}} \tag{I}
\end{gather}
\]
o fluxo através da chapa 2 é dado por
\[
\begin{gather}
\phi_{2}=k_{2}A\frac{\left(T_{i}-T_{2}\right)}{d_{2}} \tag{II}
\end{gather}
\]
Como as superfícies são mantidas às temperaturas constantes o fluxo de calor está em regime estacionário
(Figura 1), os fluxos através das duas superfícies devem ser iguais
\[
\begin{gather}
\phi _{1}=\phi_{2}\\[5pt]
k_{1}\cancel{A}\frac{\left(T_{1}-T_{i}\right)}{d_{1}}=k_{2}\cancel{A}\frac{\left(T_{i}-T_{2}\right)}{d_{2}}\\[5pt]
k_{1}\frac{\left(T_{1}-T_{i}\right)}{d_{1}}=k_{2}\frac{\left(T_{i}-T_{2}\right)}{d_{2}}
\end{gather}
\]
multiplicando em “cruz”
\[
\begin{gather}
k_{1}d_{2}\left(T_{1}-T_{i}\right)=k_{2}d_{1}\left(T_{i}-T_{2}\right)\\[5pt]
k_{1}d_{2}T_{1}-k_{1}d_{2}T_{i}=k_{2}d_{1}T_{i}-k_{2}d_{1}T_{2}\\[5pt]
k_{2}d_{1}T_{i}+k_{1}d_{2}T_{i}=k_{1}d_{2}T_{1}+k_{2}d_{1}T_{2}\\[5pt]
T_{i}\left(k_{2}d_{1}+k_{1}d_{2}\right)=k_{1}d_{2}T_{1}+k_{2}d_{1}T_{2}
\end{gather}
\]
\[ \bbox[#FFCCCC,10px]
{T_{i}=\frac{k_{1}d_{2}T_{1}+k_{2}d_{1}T_{2}}{k_{2}d_{1}+k_{1}d_{2}}}
\]
b) Para espessuras iguais (
d1 =
d2 =
d) a expressão obtida no
item anterior para a temperatura na interface se reduz a
\[
T_{i}=\frac{k_{1}dT_{1}+k_{2}dT_{2}}{k_{2}d+k_{1}d}
\]
colocando a espessura
d em evidência no numerador e no denominador
\[
\begin{gather}
T_{i}=\frac{\cancel{d}\left(k_{1}T_{1}+k_{2}T_{2}\right)}{\cancel{d}\left(k_{2}+k_{1}\right)}\\[5pt]
T_{i}=\frac{k_{1}T_{1}+k_{2}T_{2}}{k_{2}+k_{1}} \tag{III}
\end{gather}
\]
substituindo a expressão (III) na expressão (I) e
d1 =
d
\[
\phi_{1}=k_{1}A\frac{\left(T_{1}-\dfrac{k_{1}T_{1}+k_{2}T_{2}}{k_{2}+k_{1}}\right)}{d}
\]
colocando os termos entre parênteses sobre o mesmo denominador (
k2+
k1)
\[
\begin{gather}
\phi_{1}=k_{1}A\frac{\left(\dfrac{T_{1}\left(k_{2}+k_{1}\right)-k_{1}T_{1}-k_{2}T_{2}}{k_{2}+k_{1}}\right)}{d}\\[5pt][5pt]
\phi_{1}=k_{1}\frac{A}{d}\left(\frac{k_{2}T_{1}+k_{1}T_{1}-k_{1}T_{1}-k_{2}T_{2}}{k_{2}+k_{1}}\right)\\[5pt][5pt]
\phi_{1}=k_{1}\frac{A}{d}\left(\frac{k_{2}T_{1}-k_{2}T_{2}}{k_{2}+k_{1}}\right)
\end{gather}
\]
colocando o termo
\( \dfrac{k_{2}}{k_{2}+k_{1}} \)
em evidência
\[
\begin{gather}
\phi_{1}=\frac{k_{1}k_{2}}{k_{1}+k_{2}}\frac{A}{d}\left(T_{1}-T_{2}\right) \tag{IV}
\end{gather}
\]
A espessura total será de 2
d e sendo
k o coeficiente de condutibilidade térmica
do conjunto, o fluxo de calor através da parede como um todo pode ser escrito como (Figura 2)
\[
\begin{gather}
\phi =kA\frac{\left(T_{1}-T_{2}\right)}{2d} \tag{V}
\end{gather}
\]
Figura 2
Como o regime de fluxo é estacionário as expressões (IV) e (V) devem ser iguais
\[
\begin{gather}
\phi =\phi_{1}\\[5pt]
k\frac{A}{2d}\left(T_{1}-T_{2}\right)=\frac{k_{1}k_{2}}{k_{1}+k_{2}}\frac{A}{d}\left(T_{1}-T_{2}\right)\\[5pt]
\frac{k}{2}=\frac{k_{1}k_{2}}{k_{1}+k_{2}}
\end{gather}
\]
\[ \bbox[#FFCCCC,10px]
{k=\frac{2k_{1}k_{2}}{k_{1}+k_{2}}}
\]
Observação: Poderíamos substituir a expressão (III) na expressão (II)
\[
\phi_{2}=k_{2}A\frac{\left(\dfrac{k_{1}T_{1}+k_{2}T_{2}}{k_{2}+k_{1}}-T_{2}\right)}{d}
\]
colocando os termos entre parênteses no mesmo denominador (
k2+
k1)
\[
\begin{gather}
\phi_{2}=k_{2}A\frac{\left(\dfrac{k_{1}T_{1}+k_{2}T_{2}-T_{2}\left(k_{2}+k_{1}\right)}{k_{2}+k_{1}}\right)}{d}\\[5pt]
\phi_{2}=k_{2}\frac{A}{d}\left(\frac{k_{1}T_{1}+k_{2}T_{2}-k_{1}T_{2}-k_{1}T_{2}}{k_{2}+k_{1}}\right)\\[5pt]
\phi_{2}=k_{2}\frac{A}{d}\left(\frac{k_{1}T_{1}-k_{1}T_{2}}{k_{2}+k_{1}}\right)
\end{gather}
\]
colocando o termo
\( \dfrac{k_{1}}{k_{2}+k_{1}} \)
em evidência
\[
\phi_{2}=\frac{k_{1}k_{2}}{k_{1}+k_{2}}\frac{A}{d}\left(T_{1}-T_{2}\right)
\]
Este resultado é equivalente à expressão (IV) encontrada acima.