Problemas resueltos de transferencia de calor: conducción, radiación, convección y gases

Resumen

Colección de problemas resueltos sobre transferencia de calor, que cubre la conducción en paredes, barras y láminas, la radiación de cuerpos calientes y del sol, la convección natural y la ecuación de los gases. Permite practicar el cálculo de flujos de calor, temperaturas y masas de gas.

Puntos clave

La conducción se calcula con el coeficiente de conductividad térmica del material y el espesor de la pared.
En la radiación, el coeficiente de emisividad indica la eficiencia de un cuerpo para emitir energía (1 para el cuerpo negro).
La convección natural se produce por diferencias de densidad del aire caliente y frío; el cálculo cambia si la placa es vertical u horizontal.
La ecuación de los gases relaciona presión, volumen, temperatura y cantidad de gas para resolver cambios de masa y de temperatura.

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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.

Hallar el **flujo calórico** transmitido a lo largo de la barra.
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:

La placa es vertical.
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)?