Física II   

TRANSFERENCIA DE CALOR   

INGENIERÍA DE SONIDO    Primer cuatrimestre 2012  Titular: Valdivia Daniel  Jefe de Trabajos Prácticos: Gronoskis Alejandro  Jefe de Trabajos Prácticos: Auliel María Inés    

 

 

Física II  TRANSFERENCIA DE CALOR: CONDUCCIÓN 

P1   Aplicar la ley de Fourier en los siguientes casos:  a) Geometría plana infinita en estado estacionario con K= constante  y sin generación interna de  energía.   b) Ídem a) pero con generación de energía interna.  c)  Geometría  cilíndrica  en  estado  estacionario,  con  K=constante.  y  sin  generación  interna  de  energía (cilindro hueco infinito).  d) Ídem c) pero con generación interna de energía.    P2   Hallar la expresión del calor transmitido en una pared de caras paralelas y superficie ilimitada.  Aplicar  lo  anteriormente  hallado  al  caso  de  un  horno  de  ladrillos  refractarios  de  239  mm.  de  espesor, con  Kr = 1.05 (Watts / mºK) y una capa aislante Aa = 0,15 (Watts / mºK); la cara de la  pared que enfrenta al fuego tiene una temperatura de  1200 ºC y la cara externa del aislante está  a 60 ºC. La máxima temperatura que soporta el material aislante es de 720 ºC.   Hallar  la  mínima  pérdida  de  calor  por  metro  cuadrado  de  pared  y  el  máximo  espesor  aislante  que se puede instalar.    P3

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El ambiente de una caldera está separado de otro por una pared de corcho (K = 0,0001 cal/cm.  °C.  seg)  de  6  cm  de  espesor  y  2,5  cm²  de  superficie.  ¿Qué  cantidad  de  calor  ha  pasado  en  2,5  horas de uno a otro medio? 

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P4 Si una estufa colocada en el interior de un ambiente produce 800 kcal/min, calcular el espesor  que debe darse a una pared de 250 m², cuyo coeficiente de conductividad es 0,02 cal/cm. °C. seg,  para que se mantenga una diferencia de temperatura de 15 °C con el exterior.                                                                                                                  

  P5 Un tubo de acero de 10 cm de radio está recubierto por los siguientes materiales dispuestos en  serie  corcho,  fieltro  y  un  material  de  sílice  cuyos  espesores  son  5,  3  y  2  cm,  y  cuyas  conductividades  son  0.043,  0.0522  y  0.022  W/mºK  respectivamente.  El  tubo  de  acero  se  encuentra  a  180ºC  y la temperatura  externa   es  de 30ºC. Calcular la cantidad de calor perdido  por segundo si la longitud del tubo es de 10 m.                                                        P6 Determinar el perfil de temperaturas y el flujo de calor por unidad de superficie para una pared  infinita de hormigón de 300mm de espesor, en cada uno de los siguientes casos:  1) Una de las caras se encuentra a 500 ºK y la otra a 300º K.  2) Se mantiene la de 500 K y la otra se expone a un ambiente a 300 ºK con un coeficiente de  convección de 30 W/m2 ºK  Realizar los mismos cálculos si la pared es de Magnesio. Obtener conclusiones.  Conductividad del Hormigón kHorm: 1.4 W/m ºK  Conductividad del Magnesio kMg: 156 W/ m ºK   P7

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Una   pared   plana   está   construida   de   ladrillo   de   250  mm  de   espesor.   Las temperaturas    en   sus   superficies   son   1350  ºC  y   50  ºC,   el   coeficiente   de conductividad  térmica   del    ladrillo   en   función   de   la  temperatura   es:   k  = 0,838 (1+0,0007.T) W/m K. Demostrar que la  densidad  de  flujo  de  calor  puede  ser  calculada  con  la  expresión  para  el  coeficiente  de  conductividad  térmica  constante,  elegido  para  la  temperatura  media  de  la  pared,  cuando  la  variación del coeficiente con la temperatura sigue una ley lineal. Calcular y representar en escala  la distribución de temperatura en la pared.        ADICIONALES

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P1   Un tubo de 25 mm de diámetro tiene aletas circunferenciales con perfil rectangular, colocadas a  lo  largo de su  longitud con  intervalos de 9,5  mm  entre centros.  Las aletas   son   de   aluminio,    tienen   0,8  mm  de   espesor   y   12,5  mm  de   largo.   La temperatura en la pared del tubo se  mantiene  a  200  ºC  y  la  temperatura  ambiente  es  de  93  ºC.  El  coeficiente  de  transferencia  de  calor por convección es de 110 W/m2 K. Calcular la pérdida de calor del tubo por metro lineal de  longitud de cañería.     P2 Una  aleta  rectangular  tiene  una  longitud  de  1,5  cm  y  un  espesor  de  1  mm.  El  coeficiente  de  convección es de 20 W/m2 ºC. Compárese los flujos de calor para aletas de aluminio y Magnesio.     

   

 

Física II  TRANSFERENCIA DE CALOR: CONVECCIÓN  P1 El  vidrio  de  una  ventana  se  encuentra  a  10°C  y  su  área  es  1,2  m2.  Si  la  temperatura  del  aire  exterior  es  0°C,  ¿cuánta  energía  se  pierde  por  convección  en  cada  segundo?  La  constante  de  transmisión de calor por convección para este caso es 4 W/ (m2 K).  P2 En una habitación caliente, una persona desnuda  en reposo tiene la piel  a una temperatura de  33ºC.  Si la temperatura de la habitación es de 29ºC y si el área de la superficie del cuerpo es 1,5  m2, ¿cuál es la velocidad de pérdida de calor por convección?    P3 Se  desea  calentar  3  kg/s  de  agua  desde  10°C  hasta  66°C,  manteniendo  la  temperatura  de  la  superficie  interna  de  la  tubería  a  82°C.  Si  el  diámetro  interior  de  la  tubería  es  de  5  cm,  determinar la longitud de tubería necesaria para alcanzar la temperatura requerida.  Datos: Cp= 4.174 kJ /Kg°K ‐ h 5805 W/m²K.     P4   Por  una  tubería  de  plástico  (K  =  0.5  W/mºK)  circula  un  fluido  de  modo  que  el  coeficiente  de  transferencia de calor por convección es 300 W/m 2K. La temperatura media del fluido es 100°C.   La tubería tiene un diámetro interno de 3 cm y un diámetro externo de 4 cm. Si la cantidad de  calor  que se transfiere a través de la unidad de longitud de tubería por unidad de tiempo es 500  W/m,  calcular  la  temperatura  de  la  superficie  exterior  de  la  tubería.  Hallar  el  coeficiente  de  transferencia térmica global U basado en el área de la superficie exterior de la misma. 

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  Para la convección laminar libre de una superficie vertical caliente, el coeficiente de  convección  local se expresa como hx = Cx‐1/4, donde hx es el coeficiente a la distancia x desde el inicio de la  superficie  y  la  cantidad  C,  que  depende  de  las  propiedades  del  fluido,  es  independiente  de  x.  Obtenga  una  expresión  para  la  razón    hmedio  /  hx,  donde    hmedio  es  el  coeficiente  promedio  entre el inicio (x = 0) y la posición x. Dibuje la variación de hmedio y hx con x.   

   

 

Física II  TRANSFERENCIA DE CALOR: RADIACIÓN  P1 Hallar la potencia radiada por un cuerpo que tiene una superficie de 4 m2 y está a 500 C de  temperatura. La  constante de Stefan = 5,6703 x 10(exp‐8) (Watt / m2 K4).  P2 Si la temperatura de un cuerpo negro se duplica, ¿por qué factor se aumenta la potencia total  emitida?  P3 Cuál es la potencia por unidad de área emitida por un cuerpo negro que tiene una temperatura  de: a) 300K, b) 3000K.  P4  Si aplicamos las leyes de la radiación de cuerpo negro a la explosión de una bomba atómica en  donde la densidad de energía en el momento de la explosión es 766.3.106 W/m2, determinar la  temperatura en ese instante.  P5 Determinar el poder emisivo de la superficie del Sol si se conoce que su temperatura es igual a  5700  ºC  y las condiciones de radiación se  aproximan a las de un cuerpo  absolutamente negro.  9 

Calcular el flujo de calor que emite el Sol si se puede admitir que su diámetro es de 1,391.10 m.  

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Para observar el desarrollo de la llama dentro de un horno de un generador de vapor se emplea  una placa de vidrio de 30 cm de lado. Se supone que el coeficiente de emisividad  es de 0,3 para  longitudes de onda de hasta 3,5 μm y 0,9 para valores superiores.  Suponiendo que el horno esta  a  2000 ºC, calcular la energía emitida por el mismo.   P7 El  instrumento  para  la  medición  de  altas  temperaturas,  el  pirómetro  óptico,  se  basa  en  la  comparación de la intensidad de radiación del cuerpo al cual se le quiere medir temperatura con  la intensidad de radiación de  un  filamento incandescente. El  instrumento está calibrado por la  radiación  de  una  fuente  absolutamente  negra,  y  por  consiguiente  mide  la  temperatura  que  tendría  un  cuerpo  negro  con  la  misma  intensidad  de  radiación  que  posee  el  cuerpo  que  se  investiga. Calcular la temperatura real del cuerpo si el pirómetro ha registrado la temperatura  de 1400 ºC cuando la emisividad del cuerpo es de 0,6 para longitud de onda dada.