Cálculo 4 diluição

Matemática Ensino Superior Funções Álgebra Resolução de problemas
Um tanque contém inicialmente 500 litros de salmoura com 5kg de sal. Em t=0, outra solução de salmoura com 100g de sal por litro começa a entrar no tanque à razão de 10 L/min, enquanto a mistura bem homogeneizada sai do tanque à mesma taxa. a) Qual é a quantidade de sal após 10 minutos? b) Qual o instante em que a mistura no tanque contém 10kg de sal?
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Fran perguntou há 5 anos

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Professor Vinicius B.
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Respondeu há 5 anos
Seja m(t0) a massa de sal no tanque no momento t0, e m(t0+Δt) a massa de sal no tanque após a passagem de Δt minutos.
Pelos dados do enunciado, temos: m(t0+Δt)=0,1*10*Δt-(10/500)m(t)*Δt+m(t0). Rearranjando, temos: m(t0+Δt)-m(t0) = Δt-m*Δt/50. Dividindo todos os termos por Δt e tomando o limite Δt->0, obtemos a equação diferencial: m'=1-m/50 com a condição inicial m(0) = 5
Resolvendo por variação de parâmetros, temos m(t) = A(t)e(-t/50) para a parte homogênea e, substituindo na equação não homogênea encontramos A'=e(t/50) => A=50e(t/50)+B. Logo, m(t) = 50-Be(-t/50). Pela condição inicial, encontramos B=45 e a solução para o PVI fica m(t) = 50-45e(-t/50).
a) Para este item, basta substituir t=10. Teremos m(10) = 50-45e(-1/5) = 13,16 minutos (aproximadamente)
b) Para este item, basta substituir m(t)=10 e resolver a equação: 10=50-45e(-t/50) => t=-50*ln(8/9) = 5,89 minutos (aproximadamente)

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Professor Fabio T.
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Respondeu há 5 anos
a) Vamos analisar primeiro o tanque : 500 litros de salmoura com 5 kg de sal . Escrevendo na unidade de gramas : 500 litros - 5000 g ( solução de salmoura 1 ) ___________________________________________________________________ Analisamos agora a vazão ( solução de salmoura 2 ) : vazão ( v ) = 10 litros - 1 minuto Após 10 minutos , fazemos a regra da proporção : vazão ( v ) = 10 litros - 1 minuto x litros - 10 minutos x = 10 x 10 / 1 , x = 100 litros . Portanto , após 10 minutos , haverá mais 100 litros de solução no tanque. ____________________________________________________________________ Para essa segunda solução , analisamos agora a quantidade de sal : O enunciado diz que essa segunda solução contem 100 g de sal / litro. Após 10 minutos, encontramos 100 litros de solução . Fazendo novamente a regra da proporção , temos : 1 litro - 100 g de sal 100 litros - Y Y = 100 x 100 / 1 ; Y = 10.000 g de sal ( somente na segunda solução ) . Então , após 10 minutos devemos somar a quantidade de sal que já havia no tanque ( 5.000 g ) com a quantidade que foi adicionada ( 10.000 g ) . 5.000 + 10.000 = 15.000 g ou transformando em kg : 15.000 / 1000 = 15 kg b) Para saber qual o instante em que o tanque terá 10 kg da mistura de sal : Vamos lembrar que a mistura do tanque já tem 5 kg de sal ( solução de salmoura 1 ). Então, o cálculo é para que a quantidade adicionada ( solução de salmoura 2 ) seja de : 10 kg – 5 kg = 5 kg. A solução de salmoura 2 contem 100 g de sal / litro . Para que ela chegue em 5 kg , primeiro vamos transformar para a mesma unidade de medida : 5 kg = 5.000 g Ou seja , precisamos acrescentar 5.000 g de sal provenientes da solução de salmoura 2 . Aplicando a regra de proporção para sabermos quantos litros de solução serão necessários : 1 litro - 100 g de sal W - 5.000 g de sal . W = 5.000 x 1 / 100 ; W = 50 litros. Sabendo-se que a vazão é de 10 litros / minuto , façamos nova regra de proporção para acharmos em quanto tempo alcançaremos 50 litros : 10 litros - 1 minuto 50 litros - P P = 50 x 1 / 10 ; P = 5 minutos . Em 5 minutos de adição da solução de salmoura 2 , atingimos 10 kg de sal no tanque .

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