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CALOR Y LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA - Problema 9

 Un recipiente de aluminio de 300g contiene 200g de agua a 10º C. Si se vierten 100 g más de agua, pero a 100º C, calcular la temperatura final de equilibrio del sistema. R: 34.6º C.
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Radiación

A diferencia de transferencia de calor por convección, no se requiere  que intervenga un espacio lleno de materia para que las superficies intercambien calor por radiación. Esto es así por que la radiación térmica es radiación electromagnética que se emite en la banda de longitud de onda entre 0.1 y 100 micrómetros (1 micra es igual a 10-6 metros) como resultado únicamente de la temperatura en la superficie. Por lo tanto, dicha radiación posee las mismas propiedades que los rayos X, la luz visible, y las ondas de radio, el rasgo de distinción de la radiación térmica es su banda de longitud de onda. La radiación visible ocurre entre longitudes de onda de 0.35 y 0.75crónometros, los rayos X ocurren entre longitudes de onda de 10-5 y 2x 10-² micrométros. Los líquidos, sólidos, y algunos gases (especialmente vapor de agua e hidrocarburos) emiten radiación térmica como resultado de sus temperarturas. Un emisor ideal, que se llama cuerpo negro, emite radiación térmica según la ecuación de Stefan-Boltzmann


en cuya expresion eb es la potencia emisiva del cuerpo negro, y es la energía emitida por unidad de área de la superficie y unidad de tiempo; Õ es la constante de Stefan-Boltzmann; y T es la temperatura en grados absolutos. Las dos escalas de temperatura absoluta que se usan son las escalas de Rankine y Kelvin. Debemos notar que:






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Conducción radial de calor a través de una esfera hueca

Además del problema de la pared plana, hay otros dos problemas básicos unidimensionales  de estado estacionario que consideramos: Dichos problemas son el caso de un cilindro hueco tan largo que las pérdidas en los extremos son desperciables, o bien que sus extremos se encuentran aisladas para evitar pérdida y, además, el caso de una esfera hueca. En ambos problemas, se mantiene constante la temperatura de las superficies interior y exterior. En primer lugar, considere la esfera hueca, como se aprecia en esta figura. Atacamos este problema haciendo un balance de energía en un elemento diferencial de volumen, con el fin de determinar la ecuación diferencial apropiada. Observando que la conducción térmica es constante, que existen condiciones de estado estacionario y que no hay fuentes de calor, escribimos el balance de energía:
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Problema Radio Critico de Aislamiento

A través de una tubería de 3 pulgadas de diámetro exterior circula vapor húmedo a 325°F, la tubería esta aislada con asbesto. El coeficiente convectivo de transferencia de calor entre la superficie exterior del asbesto y el aire que lo rodea a 70°F es igual a 0.5 Btu/h-pie²°F. Determine el radio critico de aislamiento Dado este valor de r2, calcule la pérdida de calor por pie en la tubería, y la temperatura de la superficie exterior. Solución Comentarios: Se debe notar, de la parte (2), que para valores r2 diferentes rcr, los valores de Q/L serán menores. Los resultados de la parte (3) muestran que se debería agregar más aislante para evitar perjuicios humanos. Puesto que más aislante también reduce de valor a Q/L, se desperdiciará menos energía durante la operación de la tubería de vapor, y el único costo extra será el de la inversión inicial en el aislante.
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Ejemplo 2: CAPACIDAD CALORICA Y CALOR ESPECIFICO

Un trozo de metal de 50 g que se encuentra a 200º C se sumerge en un envase que contiene 0.4 kg de agua inicialmente a 20º C. Si la temperatura final de equilibrio del sistema mezclado es 22.4º C, calcular: a) el calor específico del material, b) el calor ganado por el agua. Despreciar la transferencia de calor al envase y al medio ambiente. Solución: los datos son cA=4186 J/kgºC, mm = 50g, Tim = 200ºC, mA = 400g, TiA = 20ºC, Tfm=22.4ºC =TfA. a) Al introducir el metal caliente en el agua mas fría, el metal se enfría y el agua se calienta, alcanzando ambos 22.4º C, es decir, el metal pierde calor y el agua gana calor.
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Problema Paredes Compuestas

Una pared de una casa mide 8 pies por 20 pies, no tiene ventanas, y consta de 1/4 de pulgada de forro de tela de roble y 2 pulgadas de pino blanco. La temperatura interna de la pared es de 70F y la temperatura externa en la pared es de 10F. Determine la pérdida de calor a través de la pared en Btu/h. Solución Datos: Una pared sin ventanas tiene un diferencial de temperaturas entre sus superficies interior y exterior. Comentarios: La pérdida total en la conducción de calor a través de la pared hecha con roble pino es de 3450 Btu/h.
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Sistemas con resistencia interna despreciable (I)

La clase de problemas transitorios que mejor se presentan para ser analizados son aquellos que tienen una resistencia interna al flujo de calor despreciable. En dichos problemas, la resistencia conectiva en la frontera del sistema es muy grande, comparada con la resistencia interna debida a la conducción. En esencia, el sólido se comporta como si tuviera una conductividad térmica infinita en el sentido de que la temperatura es siempre uniforme a través de todo el sólido y varias únicamente con el tiempo. En la realidad, nunca es posible conseguir con precisión dicha situación, ya que todos los materiales tienen una conductividad térmica finita y, al agregar o quitar calor, deben existir gradientes de temperatura según lo demuestra la ley de conducción de calor de Fourier, Q = -kA(δT/δn). Sin embargo, cuando la resistencia convectiva en la frontera del sólido es grande, comparada con la resistencia interna debido a la conducción, la parte principal de la variación de temperatura espacia...
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