Resolución de Problemas de Transferencia de Calor: Conducción, Radiación, Convección y Gases

Transferencia de Calor: Problemas Resueltos

Conducción

La superficie externa de una pared está a una temperatura de -20 °C mientras que la interior está a 20 °C. El espesor de la pared es de 40 cm. Hallar el **coeficiente de conductividad térmica** del material de la pared, sabiendo que por cada metro cuadrado (m²) de pared pasan 110 kcal/h.

Uno de los extremos de una barra de hierro se mantiene a la temperatura de 100 °C mientras que el otro se apoya en un trozo de hielo. La barra tiene 14 cm de longitud y 2 cm² de área transversal. Esta barra está provista de un aislamiento térmico alrededor, por lo tanto, el calor se propaga a lo largo de la barra.

1. Hallar el **flujo calórico** transmitido a lo largo de la barra.
2. La cantidad de hielo que se funde en 40 minutos de contacto.

Una olla de aluminio de 15 cm de diámetro está llena de agua y puesta en una hornilla. El agua hierve y en cada minuto se generan 300 gramos de vapor (por minuto). Hallar la temperatura a la que se encuentra la parte exterior del fondo de la cacerola si su espesor es de 2 mm.

¿Qué cantidad de calor pierde en un minuto a través de sus 4 paredes de ladrillo una habitación cuyas dimensiones son 4x5 metros y cuya altura es de 3 metros? La temperatura interior de la habitación es de 15 °C y la temperatura exterior -20 °C. El **coeficiente de conductividad térmica** de los ladrillos es 0,002 cal/seg. cm °C y el espesor de la pared 50 cm. Las pérdidas de calor del techo y del suelo se desprecian. Exprese el resultado en Joule.

Una lámina de cobre cuyo espesor es 9 mm y otra de hierro de espesor de 3 mm están juntas. La superficie externa de la lámina de cobre se mantiene a 50 °C y la superficie exterior de la lámina de hierro a la temperatura de 0 °C. Hallar la temperatura que tendrá la superficie de contacto entre las 2 láminas. La superficie de las láminas es la misma.

Radiación

Hallar la temperatura de un horno sabiendo que su boca radiante tiene 6,1 cm² y emite 8,28 cal en un segundo. Considere que esta radiación tiene como **coeficiente de emisividad** 1 (adimensional).

¿Qué cantidad de energía radia el sol en un minuto si consideramos que la radiación del sol se aproxima a la del cuerpo negro (1)? La temperatura de la superficie del sol es 5800 °K y el radio del sol, que se considera como una esfera, es 6,95x10^8 metros.

¿Qué cantidad de energía emite en 10 segundos 1 cm² de plomo en estado de fusión (temperatura de fusión 600 °K)? El **coeficiente de emisividad** del plomo es 0,6.

El diámetro de una espiral de una lámpara eléctrica es igual a 0,3 mm y la longitud 5 cm. Cuando la lámpara se conecta a una red de 127 voltios, a través de ella pasa una corriente de 0,31 Amperes de intensidad. Hallar la temperatura interior de la lámpara sabiendo que el **coeficiente de emisividad** del metal de la espiral es de 0,31.

Convección

Un tubo de vapor vertical de 7,5 cm de diámetro y una altura de 4 metros tiene en su superficie exterior la temperatura de 95 °C. El aire que lo rodea se encuentra a 20 °C. ¿Cuánto calor es cedido por el tubo al aire en una hora por **convección natural**?

Una placa metálica se mantiene a temperatura constante de 100 °C y el aire que rodea a la placa está a 20 °C. Calcular el calor que pierde la placa por **convección natural** en 1 hora. La placa tiene un área de 1 m². Haga el cálculo si:

1. La placa es vertical.
2. La placa es horizontal y cuánto convecciona hacia arriba y cuánto convecciona hacia abajo.

Ecuación de los Gases

¿Qué temperatura tienen 2 gramos de nitrógeno si ocupan un volumen de 820 cm³ a la presión de 2 atmósferas?

En un depósito cerrado había 10 kg de un gas a la presión de 10x10⁶ Pascal. Hallar qué cantidad de gas se sacó de dicho depósito si la presión bajó a 2,5x10⁶ Pascal. Considerar que en este proceso la temperatura se mantuvo constante.

¿Cuántas veces pesará más el aire que llena un local en invierno a la temperatura de 7 °C que el que lo llena en verano cuando la temperatura es de 37 °C? El local se encuentra a orilla de mar.

Si el local tiene 200 m² de superficie y 5 metros de altura y la presión a orilla del mar es de 760 mm Hg, ¿cuál es la masa de aire en invierno (7 °C)?