Compare quantitativamente a perda de calor por convecção de uma mão exposta (área A = 0,05 m², T_skin = 34 °C)…

Questão

Compare quantitativamente a perda de calor por convecção de uma mão exposta (área A = 0,05 m², T_skin = 34 °C) em ar T_air = 5 °C para duas velocidades de vento: v1 = 0,5 m/s e v2 = 5,0 m/s. Use a correlação empírica h = 5,7 + 3,8·v (h em W/(m²·K), v em m/s) e Q? = h·A·(T_skin-T_air). Explique como a umidade relativa afeta a sensação térmica por evaporação.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Cálculos: ?T = 34-5 = 29 K. Para v1 = 0,5 m/s: h1 = 5,7 + 3,8·0,5 = 5,7 + 1,9 = 7,6 W/(m²·K). Q?1 = h1·A·?T = 7,6·0,05·29 = 7,6·1,45 = 11,02 W (˜11,0 W). Para v2 = 5,0 m/s: h2 = 5,7 + 3,8·5,0 = 5,7 + 19,0 = 24,7 W/(m²·K). Q?2 = h2·A·?T = 24,7·0,05·29 = 24,7·1,45 = 35,82 W (˜35,8 W). Interpretação: aumentar o vento de 0,5 para 5,0 m/s eleva a perda convectiva da mão de ˜11 W para ˜36 W, ou seja, cerca de 3,25 vezes mais perda de calor convectiva — sensação de frio acentuada. Efeito da umidade: a umidade relativa altera a capacidade de evaporação do suor/umidade da pele. A evaporação retira calor latente (L_v ˜ 2,26×10^6 J/kg); em ar seco, maior taxa de evaporação aumenta a perda de calor e a sensação de resfriamento; em ar muito úmido, a evaporação é limitada, reduzindo o resfriamento evaporativo e aumentando a sensação de frio em condições de vento frio (ou sensação de abafamento em calor). Conclusão: vento aumenta h e, portanto, Q?_conv; a umidade regula Q?_evap (m_dot·L_v), afetando a sensação térmica combinada de convecção + evaporação.

Explicação

A explicação aborda a comparação da perda de calor por convecção em diferentes velocidades de vento, utilizando a correlação empírica para calcular o coeficiente de transferência de calor e a perda total. Além disso, discute como a umidade relativa influencia a evaporação e, consequentemente, a sensação térmica, destacando a interação entre convecção e evaporação. A conclusão sintetiza a relação entre vento, umidade e a sensação térmica, proporcionando uma compreensão clara do fenômeno físico em questão.

Raio-X da questão

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