Condução de calor: exercícios com soluções passo a passo

Também chamado: lei de Fourier · resistência térmica · transferência de calor

Exercícios grátis de Condução de calor com diagramas, dicas e soluções completas resolvidas. Valores novos a cada vez, em três níveis: parede simples, parede composta, parede com convecção.

Exercício gratuitoFácil
Poliestireno expandido, k = 0,03510 mm24 °C-11 °CQ̇ = ?

Uma parede de poliestireno expandido tem 10 mm de espessura e área de 6 m². Suas faces são mantidas a 24 °C e -11 °C. Encontre a taxa de condução de calor Q̇ pela parede.

k = 0,035 W/(m·K)L = 10 mmA = 6 m²T1 = 24 °CT2 = -11 °C
W
Próximo exercício →
Pratique Condução de calor de graçaPratique Condução de calor agora5 exercícios grátis todos os dias. Sem cartão.

O que você pratica

  1. Fácilparede simples
  2. Médiaparede composta
  3. Difícilparede com convecção

Fórmulas principais

Lei de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistência de condução
R = L/(kA)
Resistência de convecção
R = 1/(hA)
Resistências em série
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitância U
U = 1/(ΣR·A)

Aprenda Condução de calor do zero

1O que é a condução de calor

O calor sempre flui do quente para o frio. Dentro de um sólido ele viaja por condução: partículas que vibram rápido no lado quente passam a energia para as vizinhas.

Num dia de inverno, o calor sai de um cômodo aquecido pelas paredes desse modo. Quanto escapa depende da diferença de temperatura, da área da parede, da sua espessura e do material.

Os materiais diferem enormemente. A condutividade térmica k, em W/(m·K), indica com que facilidade o calor passa:

  • Concreto: cerca de 1,4 W/(m·K). Tijolo: cerca de 0,72.
  • Madeira: cerca de 0,17.
  • Lã mineral: cerca de 0,04. Poliestireno expandido: cerca de 0,035.

Um k baixo significa um bom isolante. É por isso que as casas têm uma camada de lã ou espuma dentro da parede.

Neste tópico as temperaturas não mudam com o tempo. Isso se chama condução em regime permanente.

Autoavaliação Qual parede deixa passar menos calor, se todas têm 100 mm de espessura?
  1. Concreto (k = 1,4)
  2. Lã mineral (k = 0,04)
  3. Madeira (k = 0,17)
  4. Tijolo (k = 0,72)

Resposta: Lã mineral (k = 0,04). O fluxo de calor é proporcional a k. A lã mineral tem de longe a menor condutividade, então isola melhor.

2Lei de Fourier e resistência térmica

Para uma parede plana de espessura L e área A, com as faces em T1 e T2, a taxa de fluxo de calor em watts é dada pela lei de Fourier:

Q̇ = k · A · (T1 − T2) / L
kLT1​T2​Q̇

A temperatura cai em linha reta através da parede. O fluxo de calor (por unidade de área) é o fluxo por metro quadrado: q″ = Q̇ / A, em W/m².

Ajuda pensar na parede como um resistor, como num circuito elétrico. A diferença de temperatura impulsiona o calor, e a parede resiste a ele:

Q̇ = ΔT / R R = L / (k · A)

A resistência térmica R é dada em K/W. Uma parede mais grossa ou um k menor dá maior resistência e menos perda de calor. Uma diferença de temperatura em °C é o mesmo número em K.

Autoavaliação Uma parede de concreto (k = 1,4 W/(m·K)) tem 200 mm de espessura e área de 10 m². Suas faces estão a 20 °C e 0 °C. Qual é o fluxo de calor?
  1. 0,0007 W
  2. 1,4 W
  3. 140 W
  4. 1400 W

Resposta: 1400 W. Q̇ = 1,4 · 10 · 20 / 0,2 = 1400 W. Usar L = 200 (mm) dá 1,4 W, e esquecer a área dá 140 W.

3Paredes com várias camadas

Uma parede real tem camadas: tijolo, isolamento, gesso acartonado. O mesmo calor atravessa cada camada uma depois da outra, então as camadas são resistências em série. Some-as:

Rtotal = R1 + R2 + … Q̇ = (Tin − Tout) / Rtotal

Cada camada assume uma parte da queda total de temperatura proporcional à sua resistência: ΔT1 = Q̇ · R1. A camada de isolamento assume a maior queda.

O ar junto à parede também resiste ao calor. Essa resistência de convecção é R = 1/(h · A), em que h é o coeficiente de convecção em W/(m²·K). Some-a em série como uma camada.

O valor U resume uma parede inteira, incluindo as películas de ar, como o fluxo de calor por m² por kelvin:

U = 1 / (Rtotal · A) Q̇ = U · A · ΔT

4O método passo a passo

  1. Desenhe a parede com suas camadas. Escreva cada espessura em metros e cada k ao lado.
  2. Calcule a resistência de cada camada: R = L/(k·A). Com ar de um lado, some R = 1/(h·A) para esse lado.
  3. Some todas as resistências em série.
  4. Encontre o fluxo de calor: Q̇ = (diferença total de temperatura) / Rtotal.
  5. Para uma temperatura dentro da parede, parta de uma temperatura conhecida e subtraia Q̇ · R de cada camada que atravessar.

Uma boa verificação: as quedas de temperatura em todas as camadas devem somar a diferença total de temperatura.

5Um exemplo resolvido

Acompanhe cada passo. Tente prever o próximo antes de abri-lo.

Exemplo resolvido

Uma parede é feita de 200 mm de tijolo (k = 0,72 W/(m·K)) e 50 mm de lã mineral (k = 0,04 W/(m·K)), com área de 10 m². As faces externas estão a 20 °C e 0 °C. Encontre o fluxo de calor através da parede e a temperatura na interface entre as camadas.

1

Desenhe a parede

k = 0,72200 mmk = 0,0450 mm20 °CTi​ = ?0 °CQ̇

O calor flui do lado de 20 °C através do tijolo, depois através da lã, até o lado de 0 °C.

2

Resistência de cada camada

R1 = 0,200 / (0,72 · 10) = 0,0278 K/W
R2 = 0,050 / (0,04 · 10) = 0,125 K/W

A camada fina de lã resiste muito mais que o tijolo grosso.

3

Resistência total e fluxo de calor

Rtotal = 0,0278 + 0,125 = 0,1528 K/W
Q̇ = (20 − 0) / 0,1528 = 130,9 W
4

Temperatura da interface

Comece na face quente e atravesse o tijolo:

Ti = 20 − Q̇ · R1 = 20 − 130,9 · 0,0278 = 16,4 °C
5

Verifique a resposta

A queda na lã é 130,9 · 0,125 = 16,4 K, de 16,4 °C até 0 °C. As duas quedas, 3,6 K + 16,4 K, somam os 20 K completos.

Resposta

Q̇ ≈ 131 W, e a interface está em Ti ≈ 16,4 °C.

6Erros comuns

  • Deixar a espessura em mm. Os valores de k são por metro, então L deve estar em metros.
  • Tirar a média dos valores de k de duas camadas, ou somá-los. Some as resistências L/(k·A) em vez disso.
  • Esquecer a área: R = L/(k·A) para a parede inteira, R = L/k para um metro quadrado.
  • Começar pelo lado errado ao encontrar a temperatura de uma interface. A temperatura sempre cai no sentido do fluxo de calor.
  • Deixar de fora as películas de ar (1/(h·A)) quando são dadas as temperaturas do ar interno e externo.
Autoavaliação Um metro quadrado de parede tem 100 mm de lã mineral (k = 0,04) e 100 mm de tijolo (k = 0,72). As faces têm 20 K de diferença. Qual é o fluxo de calor?
  1. 152 W
  2. 38 W
  3. 7,6 W
  4. 8 W

Resposta: 7,6 W. R = 0,1/0,04 + 0,1/0,72 = 2,5 + 0,139 = 2,64 K/W, então Q̇ = 20/2,64 = 7,6 W. Tirar a média de k dá 38 W, e ignorar o tijolo dá 8 W.

7Como são as questões de prova

  • Fácil: uma parede simples. Encontre o fluxo de calor Q̇ ou o fluxo de calor por área q″ com a lei de Fourier.
  • Médio: uma parede composta de duas camadas. Encontre o fluxo de calor, ou a temperatura Ti na interface entre as camadas.
  • Difícil: uma parede com convecção nos dois lados, entre o ar da sala e o ar externo. Encontre o valor U, a perda de calor ou a temperatura Ts da superfície interna.

Para a temperatura da superfície interna, parta do ar da sala e atravesse apenas a película de ar interna: Ts = Tsala − Q̇ / (hi · A).

Exemplo: a parede acima, com h = 8 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, tem Rtotal = 0,0125 + 0,1528 + 0,004 = 0,1693 K/W, então U = 1/(0,1693 · 10) = 0,59 W/(m²·K).

Aprenda passo a passo no aplicativoAprenda passo a passo no aplicativo

Exemplos resolvidos

Exemplo 1Fácil
Madeira, k = 0,17150 mm20 °C-9 °CQ̇ = ?

Uma parede de madeira tem 150 mm de espessura e área de 6 m². Suas faces são mantidas a 20 °C e -9 °C. Encontre a taxa de condução de calor Q̇ pela parede.

k = 0,17 W/(m·K)L = 150 mmA = 6 m²T1 = 20 °CT2 = -9 °C

Calcule Q̇ (W)

Mostrar dicas
  1. Lei de Fourier para uma parede plana: Q̇ = k·A·ΔT/L.
  2. Converta a espessura para metros para que as unidades de k batam.
  3. ΔT = 29 K.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Lei de Fourier

ΔT = 20 − (-9) = 29 K
Q̇ = kAΔT/L = 0,17·6·29/(150/1000) = 197,2 W

Resposta

Q̇ = 197,2 W
Exemplo 2Média
Lã mineral, k = 0,0450 mmMadeira, k = 0,1750 mm25 °C5 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 50 mm de lã mineral e 50 mm de madeira, com área de 12 m². As faces externas estão a 25 °C e 5 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = 5 °C

Calcule Ti (°C)

Mostrar dicas
  1. Cada camada é uma resistência térmica R = L/(kA). Em série elas se somam.
  2. O mesmo Q̇ passa pelas duas camadas, então Ti = T₁ − Q̇·R₁.
  3. R1 + R2 = 0,1287 K/W.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,04·12) = 0,1042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,1287 = 155,4 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 155,4·0,1042 = 8,81 °C

Resposta

Ti = 8,81 °C
Exemplo 3Difícil
Lã mineral, k = 0,04100 mmPlaca de gesso, k = 0,1725 mmambiente 20 °Cexterior -7 °CQ̇

Uma parede de 100 mm lã mineral e 25 mm placa de gesso separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -7 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 8 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -7 °C

Calcule U (W/(m²·K))

Mostrar dicas
  1. Some quatro resistências em série: convecção interna, duas camadas condutoras, convecção externa.
  2. U é o fluxo de calor por unidade de área por grau: U = 1/(A·ΣR).
  3. ΣR = 0,358 K/W.
Mostrar a resposta e a solução passo a passo

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·8) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,358 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,358) = 0,3492 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,3492 W/(m²·K)

Perguntas e respostas

Condução de calor: o que é?

O calor sempre flui do quente para o frio. Dentro de um sólido ele viaja por condução: partículas que vibram rápido no lado quente passam a energia para as vizinhas.

Num dia de inverno, o calor sai de um cômodo aquecido pelas paredes desse modo. Quanto escapa depende da diferença de temperatura, da área da parede, da sua espessura e do material.

Condução de calor: como resolver os exercícios passo a passo?

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Condução de calor: o que se pratica?
  • Fácil: parede simples
  • Média: parede composta
  • Difícil: parede com convecção

Cada exercício tem valores novos, então você aprende o método em vez de decorar uma resposta. Travou? Abra primeiro uma dica pequena, e a explicação completa só quando precisar.

Como a prática funciona

  • Cada exercício tem valores novos, então você aprende o método em vez de decorar uma resposta.
  • Travou? Abra primeiro uma dica pequena, e a explicação completa só quando precisar.
  • Seu progresso, seus erros e seus exercícios salvos ficam guardados, para você revisar antes da prova.

Calculadoras

Disciplinas com este tópico

Mais temas de Mecânica

Lista de exercícios para imprimir

Pratique Condução de calor de graçaPratique Condução de calor agora5 exercícios grátis todos os dias. Sem cartão.