Uma parede é constituída de chapas alternadas feitas de espessura d de dois materiais diferentes.
Os coeficientes de condutibilidade térmica das chapas são iguais k1 e
k2. As áreas das seções transversais das chapas são iguais e o número de chapas de cada
material são iguais, as temperaturas das superfícies externas das paredes são iguais a
T1 e T2 (T1 > T2) e mantêm-se
constantes. Determinar o coeficiente de condutibilidade térmica da parede.
Dados do problema:
- Coeficiente de condutibilidade térmica da chapa 1: k1;
- Temperatura externa da chapa 1: T1;
- Coeficiente de condutibilidade térmica da chapa 2: k2;
- 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
n o número de chapas de cada material a área total de cada um será
nA. O fluxo através da chapa 1 é dado por
\[
\begin{gather}
\phi_{1}=k_{1}nA\frac{\left(T_{1}-T_{2}\right)}{d} \tag{I}
\end{gather}
\]
o fluxo através da chapa 2 é dado por
\[
\begin{gather}
\phi_{2}=k_{2}nA\frac{\left(T_{1}-T_{2}\right)}{d} \tag{II}
\end{gather}
\]
Como as superfícies são mantidas às temperaturas constantes, o fluxo de calor está em regime estacionário,
assim o fluxo total através das duas chapas será a soma do fluxo através de cada chapa (Figura 1-A), somando
as expressões (I) e (II)
\[
\begin{gather}
\phi _{T}=\phi _{1}+\phi _{2}\\
\phi_{T}=k_{1}nA\frac{\left(T_{1}-T_{2}\right)}{d}+k_{2}nA\frac{\left(T_{1}-T_{2}\right)}{d}\\
\phi_{T}=\left(k_{1}+k_{2}\right)nA\frac{\left(T_{1}-T_{2}\right)}{d} \tag{III}
\end{gather}
\]
A área de duas chapas consecutivas 1 e 2 será 2
A (Figura 1-B) como existem
n chapas de cada
material a área total da parede será 2
nA e o fluxo total através da parede será
\[
\begin{gather}
\phi_{T}=k2nA\frac{\left(T_{1}-T_{2}\right)}{d} \tag{IV}
\end{gather}
\]
igualando as expressões (III) e (IV), obtemos o coeficiente procurado
\[
\begin{gather}
2k\cancel{n}\cancel{A}\frac{\cancel{\left(T_{1}-T_{2}\right)}}{\cancel{d}}=\left(k_{1}+k_{2}\right)\cancel{n}\cancel{A}\frac{\cancel{\left(T_{1}-T_{2}\right)}}{\cancel{d}}\\
2k=k_{1}+k_{2}
\end{gather}
\]
\[ \bbox[#FFCCCC,10px]
{k=\frac{k_{1}+k_{2}}{2}}
\]