Temodiámica – Licenciatura en Física Facultad de Ciencias – Instituto de Física

PRÁCTICO Nº 2 bTERMODINÁMICA­ Licenciatura en Física

Transferencia de Calor por Conducción

Ejercicio 1.­ Las superficies interna y externa de una pared de5 m x 6 m, de espesor 30 cm y conductividad térmica de 0,69W/m ºC, son mantenidas a temperaturas de 20ºC y 5ºC,respectivamente. Determine el flujo de calor a través de la pareden Watts, y cuál será la pérdida de calor a través de la pared en unperíodo de 5 horas.

Ejercicio 2.­ Una olla de aluminio, cuya conductividadtérmica es de 237 W/m ºC, tiene un fondo plano, dediámetro 20 cm y espesor 0,4 cm. Se transfiere calor alfondo de la olla, con el objetivo de hervir agua, arazón de 800 W de modo estacionario. Si la superficieinterna del fondo de la olla se encuentra a 105ºC, determinela temperatura de la superficie externa del mismo.

Ejercicio 3.­ Considere una pared de espesor  L , cuyaconductividad térmica varía con la temperatura de la forma,

k T =k01T  donde  k0  y   son constantes. Lasuperficie izquierda de la pared en  x=0 , es mantenida atemperatura  T 1 , y la superficie derecha en  x=L  se mantiene atemperatura  T 2 , como se ve en la figura. Asumiendo unatransferencia de calor estacionaria y unidimensional, halle las

ecuaciones que determinan :(a) La tasa de calor transferido a través de la pared.(b) La distribución de temperaturas  T x  a lo largo del espesor de la pared.

Transferencia de Calor por Convección

Ejercicio 4.­ Un caño de agua caliente a 80ºC, de 10 m de largo y 5 cm de diámetro externo, pierdecalor hacia el ambiente a 5ºC, por convección natural, con un coeficiente de transferencia de calorde 25W/m² ºC. Determine la tasa de calor perdida por el caño en Watts.

Transferencia de Calor por Radiación

Ejercicio 5.­ Parámetros en el diseño de una bombita incandescente(a) Averigüe cuál es la temperatura de una bombita de luz incandescente.

Repartido de ejercicios Nº 2 b ­ 2009

Temodiámica – Licenciatura en Física Facultad de Ciencias – Instituto de Física

(b) Si el filamento de tungsteno de la bombita tiene un radio de 15 micras y una resistencia  R de43 ohms a temperatura ambiente, calcule su longitud.(c) Si la bombita es de 60 W, ¿qué resistencia  R ’  tiene cuando está encendida?(d) Otro camino para estimar la longitud  L  del filamento es usando la ley de radiación de calor.¿Qué resultado obtiene en este caso?

Ejercicio 6.­ Eficiencia de la bombita incandescenteLa densidad de energía  g  radiada  por un cuerpo a temperatura absoluta T para unafrecuencia es proporcional a:

g∝2

eh/kB T−1y cada frecuencia   contribuye con una energía  h , de modo que la energía total radiada porunidad de volumen  tot , en todo el espectro, entre  =0 y  =∞ , es proporcional a:

∫0

∞ h3

eh/kB T−1d

y en general, la energía radiada entre dos frecuencias  1  y  2 será proporcional a:

∫1

2 h3

eh/kB T−1d

(a) Calcule la eficiencia de la lamparita como el cociente entre la energía radiada en el espectro visible(~ 4000 a 7000 Å) sobre la energía total.(b) Calcule como varía la eficiencia en el intervalo de temperaturas  T =2500­3200 K ygrafique contra  T .

Ejercicio 7.­Radiación Emitida y Recibida por la Tierra(a) Calcule la potencia total que recibe la Tierra  P in en la forma de radiación desde elsol, la constante solar, dada por  P in dividida entre la superficie efectiva de la Tierra(superficie del círculo máximo) y la constante solar media, dada por  P in  divididaentre la superficie total de la Tierra, o sea un cuarto de la constante solar. Tomecomo temperatura de la superficie solar  T = 5777 K.(b) Calcule la potencia total que emite la superficie de la Tierra como radiaciónelectromagnética  Pout

sup  (Asuma que la temperatura media de la superficie terrestre

es de 15 º C). ¿Cómo es  Poutsup

 respecto a P in ?(c) Las observaciones desde satélites de la radiación infrarroja emitida por el planetaindican que la temperatura de la Tierra debería ser de unos ­18ºC. ¿Cuánto valeentonces la potencia radiada  Pout por  m2 ? ¿Cómo se compara con la potenciaabsorvida, dada por (1­albedo terrestre) de la constante solar media? El albedoterrestre es de 0.3.

Repartido de ejercicios Nº 2 b ­ 2009