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Libro de Física Para Grado 11

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HIDROSTÁTICA<br />

Fueron inventados por el físico y matemático Evangelista Torricelli en el siglo<br />

XVII, son fundamentales para saber el estado de la atmosfera y realizar<br />

Predicaciones meteorológicas.<br />

UNIDAD DE MEDIDA<br />

- Hecto pascal: hPa<br />

- Hecto: Cien<br />

- Pascal: Unidad de medida de presión<br />

-<br />

-<br />

-<br />

-<br />

Giga pascal: 109 Pa<br />

Mega pascal 106 Pa<br />

Kilo pascal103 Pa<br />

Pascal: Equivale a 1N por metro cuadrado ortogonal a la fuerza.<br />

760 mm Hg<br />

760 mm Hg<br />

p.n. mar<br />

p.n. mar<br />

752, 8 mmHg<br />

752, 8 mmHg<br />

1013, 25 h Pa<br />

1013, 25 h Pa<br />

101, 325 h Pa<br />

101, 325 h Pa<br />

100, 37 Kpa<br />

100, 37 Kpa<br />

Conversiones<br />

1 atm 14, 69480 PSI Medida de presión<br />

760mm Hg<br />

1520 mm Hg<br />

101325 Pa =<br />

x<br />

101325 N<br />

1m2<br />

m=<br />

P<br />

g<br />

101325 N<br />

m== 10339, 28571 kg<br />

9,8 m⁄ 2<br />

s


PRINCIPIO DE PASCAL<br />

PRESIÓN HIDROSTÁTICA.<br />

p=ro: Densidad del líquido.<br />

P= Po + p.g.h<br />

Principio de Pascal<br />

Po<br />

h<br />

P<br />

Pa:<br />

m<br />

N Kg. ⁄s 2<br />

:<br />

m2m2<br />

∶<br />

kg<br />

m2<br />

m<br />

s2<br />

*Presión en la piscina de la taba, 1, 80m<br />

kg m<br />

s2<br />

m2<br />

1<br />

:<br />

kg m<br />

s 2 m 2 :<br />

kg<br />

s 2 . m<br />

P= 752 mmHg + (1000<br />

P= 752 mmHg + 17640<br />

P= 752 mmHg + 17640<br />

P= 752 mmHg + 17640 Pa<br />

P= 100370 Pa + 17640 Pa<br />

kg⁄m3 ).(9,<br />

kg.m2<br />

m3 .s 2<br />

kg<br />

m.s 2<br />

8 m⁄s2 ).(1, 8 m)<br />

P= 118010 Pa


¿A qué profundidad debe sumergirse una persona en el mar, para<br />

experimentar una presión de 2000 mmHg?<br />

1 mmHg<br />

2000 mmHg<br />

133, 32 Pa<br />

266640 Pa<br />

760 mmHg × 133,32 Pa<br />

101323, 2 Pa<br />

266640 Pa = 101323, 2 Pa + ( 1030 kg⁄m2 ) ( 9, 8<br />

266640 Pa - 101323, 2 Pa = ( 1030 kg⁄m2 ) ( 9, 8<br />

165316, 8 Pa = 10094<br />

kg.m<br />

m2 s 2<br />

(h)<br />

m⁄ 2 ) (<br />

S<br />

m⁄ ) (<br />

S 2<br />

h)<br />

h)<br />

165316,8 Pa<br />

kg.m<br />

10094 2 2<br />

m s<br />

=h RTA: La persona se debe sumergir a<br />

16, 377 m.<br />

16, 377 m = h<br />

¿Cuántas atm de presión experimenta una persona que se sumerge 80 cm en<br />

glicerina, realizando el experimento al nivel del mar?<br />

Pa = 101323, 2 Pa + ( 1270 kg⁄m2 ) ( 9, 8<br />

Pa = 111280 Pa<br />

m⁄ 2 )<br />

S<br />

( 0,8 m )<br />

1 mmHg<br />

133, 32 Pa<br />

1 atm<br />

760 mmHg<br />

X<br />

111280 Pa<br />

x<br />

834, 683 mmHg<br />

X = 834, 683 mmHg<br />

X = 1, 098 atm<br />

RTA: La persona experimenta una presión de 1, 098 atm


¿A qué profundidad se experimenta una presión de 90 psi al sumergirse en<br />

agua dulce, si el experimento se realiza en una piscina ubicada en el ITIS?<br />

1 PSI<br />

90 PSI<br />

6, 895 Pa<br />

620550 Pa<br />

633 mmHg x 133, 32 Pa<br />

88391, 16 Pa<br />

620550 Pa = 88391, 16 Pa + (1000 kg⁄m2 ) (9, 8<br />

620550 Pa - 88391, 16 Pa = 9800<br />

kg.m<br />

m2 s 2<br />

(h)<br />

m⁄ 2 )<br />

S<br />

(h)<br />

532158,84 Pa<br />

kg.m<br />

9800 2 2<br />

m s<br />

54, 301m = h<br />

=h<br />

RTA: La profundidad a la que se<br />

experimenta esa presión es de 54, 301m.


PRINCIPIO DE ARQUÍMIDES<br />

Fe= d.g. Vsum<br />

10 cm<br />

Peso relativo = peso real - Fe<br />

PR = m.g<br />

Hierro<br />

5 cm<br />

fe<br />

PR = ( d v ) . g<br />

peso<br />

dhierro= 7850 m<br />

kg<br />

3<br />

Pr = ( 7850 kg⁄m3 . 0, 00025m3 ) .9, 8<br />

Vd. prrecto = a.b.c<br />

V: ( 0. 10m ) ( 0, 05m) (0, 05m) m⁄S 2<br />

V: 0, 00025 m3<br />

Pr = 19, 2325 N<br />

fe<br />

d .g . Vsum<br />

(1000 kg⁄m3 ) (9, 8 m⁄<br />

S 2<br />

) ( 0, 00025 m3)<br />

2, 45 N<br />

Peso relativo = 19, 2325 N – 2,45 N = 16, 7825 N


1. Si el peso relativo es de 18 N, ¿cuánto se hundió en el agua?<br />

2. ¿Cuánto se hunde el bloque de hierro si se<br />

pone en Mercurio?<br />

1. do > d f = se hunde<br />

do< d f = flota<br />

aplica la formula<br />

fe= Preal<br />

kg.m<br />

18 N= 19, 2325 N – ( 9800 )<br />

m3 s 2<br />

9800. Vsum = 19, 2325 N – 18 N<br />

= 1, 2325 N<br />

9800<br />

a.b.c = 0, 000125 m3<br />

( 0, 05 ) ( 0, 10 ) . c = 0, 000125 m3<br />

c = 0, 025 m<br />

2. ( d f ). g .Vsum = 19, 23 N<br />

( 13600 kg⁄m3 ) (9, 8 m⁄S 2 ) . Vsum = 19, 23 N<br />

a.b.c =<br />

Vsum = 0, 00014282 m3<br />

(0, 05 m)(0, 10m). c = 0, 00014282 m3<br />

c = 0, 028


2. ¿Cuánto se hunde el objeto si sobre él se coloca una piedra de 5N de<br />

peso?<br />

19, 2325 N + 5 N = 24, 2325 N<br />

Peso relativo 0 p real – fe<br />

24, 2325 N = ( 1000<br />

kg<br />

m3<br />

)( (9, 8 m⁄S2 ) .( Vsum)<br />

24, 2325 N = 9800<br />

kg.m<br />

m2 s 2<br />

. Vsum<br />

24, 2325 N<br />

9, 800 kg.m<br />

m2 s 2<br />

= Vsum<br />

0, 002472704 m3 = Vsum<br />

a.b.c = Vsum<br />

(0, 05 m) (0, 10m) c = 0, 002472704 m3<br />

c = 0, 49457408 m<br />

h<br />

H


Datos:<br />

d = 20cm<br />

den = 600 m3<br />

kg<br />

Solución:<br />

fe = peso real<br />

(d) (g) (v) = (m.g)<br />

H=15cm<br />

(820 kg<br />

m<br />

3π<br />

()3 ) vsum = Kg 10<br />

Vsum = 0,001149m3<br />

0,0011493m2 =<br />

r = 0,1m<br />

π<br />

3<br />

× R2 × h<br />

m = d. v<br />

m =<br />

(600 kg<br />

m<br />

π<br />

3<br />

23 ) ( × r × H)<br />

H = 0,15m<br />

r<br />

H<br />

= 0,1m<br />

0,15m<br />

kg<br />

m = (600 ) ( × (0,1)2 × 0,15) =<br />

m 3<br />

π<br />

3<br />

3π<br />

10


HIDRODINÁMICA<br />

ECUACIÓN DE CONTINUEDAD<br />

A1. V1= A2. V2<br />

V1= 1 m⁄s<br />

∅1= 2 cm<br />

V2=?<br />

∅2 = 0, 5 cm<br />

π<br />

A1 = . (0,02 m)2 = π x 10−4<br />

4<br />

π<br />

A2= . (0,005 m)2 =1, 963495408 x 10−5<br />

4<br />

A1. V1 = A2. V2<br />

(π x 10−4) (1 m⁄s ) = (1, 963 x 10−5). V2<br />

16 m⁄ =<br />

s<br />

V2<br />

1. ¿Si un recipiente de 100L tarda 4 minutos en llenarse usando<br />

una tubería así: Cuál será el ∅ de la tubería antes de la<br />

reducción?<br />

∅1=?<br />

V= 0, 1 m⁄s<br />

∅2 = 1<br />

4<br />


1”<br />

1<br />

4<br />

”<br />

0, 0254 m<br />

x<br />

x = 6, 35 x 10−3m<br />

π<br />

A2 = . (6, 35 x 10−3m)2 =<br />

4<br />

A2 = 3, 66921744 x 10−5<br />

A1. V1= A2. V2<br />

240 s<br />

0, 1 m3<br />

1m605<br />

4mx<br />

240 s<br />

1s<br />

x<br />

x<br />

3<br />

= 4, 166666667 x 10−4 m<br />

A1. 0,1 m⁄s = 4, 166 x 10−4<br />

A1= 4, 166 x 10−3 =<br />

π<br />

4, 166 x 10−3= .(x)2<br />

4<br />

5, 3051 x 10−3 = (xm)2<br />

0,0728 m = x<br />

El diámetro es<br />

0, 0 728 m


2. Un caudal de agua circula por una tubería de 1 cm de sección<br />

interior a una velocidad de 0,5 m/s. Si deseamos que la<br />

velocidad de circulación aumente hasta los 1,5 m/s, ¿qué<br />

sección ha de tener tubería que conectemos a la anterior?<br />

D2 = 1 × √<br />

0.5<br />

1.5<br />

= 0,58<br />

3. Si un recipiente de 100Litros tarda 12 minutos en llenarse<br />

usando una tubería de las siguientes características<br />

1<br />

∅2 = "<br />

4<br />

720s → 0,1m3<br />

1sX<br />

X = 0, 000138888m3<br />

A1 × V1 = A2 × V2<br />

= 30166921744 × 10−5


0,1m3<br />

= 720s<br />

A1 × V1<br />

0,1m3<br />

= A1 × V1<br />

720seg<br />

1<br />

= A1 × V1<br />

7200<br />

A1 × V1 = A2 × V2<br />

1<br />

A1 × V1 =<br />

7200<br />

m1<br />

A1 × 0,1 =<br />

s7200<br />

1<br />

A1 =<br />

720<br />

π 2<br />

A = (d )<br />

4<br />

1π 2<br />

= (d )<br />

7204<br />

√1,768388257 × 10−3 = d<br />

0,0420522087m = d


ECUACIÓN DE TORRICELLI<br />

Es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido<br />

contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción<br />

de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el<br />

caudal de salida de un líquido por un orificio.<br />

Vt = √2 × g × h<br />

Dónde:<br />

V_t es la velocidad teórica del líquido a la salida del orificio<br />

v_0 es la velocidad de aproximación o inicial.<br />

h es la distancia desde la superficie del líquido al centro del<br />

orificio.<br />

g es la aceleración de la gravedad<br />

Ejercicios:<br />

1.<br />

1,2m<br />

1,5m<br />

360Lts<br />

0.318<br />

3,5m<br />

Dista


a) ¿A qué velocidad cae el chorro de agua?<br />

π<br />

4<br />

π<br />

4<br />

× d 2 × h = 0,36m3<br />

× (1,2m)2 × h = 0,36m3<br />

h = 0,318m<br />

Rta/ sale a 2,4m/s<br />

v = √2(9,8)(0,318)<br />

m<br />

v = 2,4<br />

s<br />

b) ¿Dónde cae el chorro de agua?<br />

Px (t) = vi. t → px (t) = 2,4t<br />

py(t) = Pi − 4,9t 2 → Py(t) = 3,5 − 4,9t 2<br />

Py(t) = 3,5 − 4,9t 2<br />

0 = 3,5 − 4,9 × t 2<br />

4,9t 2 = 3,5<br />

t = √ 3,5<br />

4,9<br />

t = 0,845seg<br />

Px(0,845) = 2,4 × 0,845 = 2,06m


TEOREMA DE BERNOULLI<br />

El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la<br />

energía en los líquidos en movimiento. Establece que en un líquido<br />

incompresible y no viscoso, la suma de la presión hidrostática, la energía<br />

cinética por unidad de volumen y la energía potencial gravitatoria por<br />

unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el círculo. Es decir, que<br />

dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos de<br />

circuito<br />

11<br />

22<br />

2P1 + × d × v1 + d × g × h1 = P2 + × d × v2 + d × g × h22<br />

Ejercicios:<br />

1.<br />

2 atm<br />

60cm<br />

V=?<br />

80cm<br />

1,5m<br />

202650Pa + 0 + 1000<br />

kg<br />

500v2 + (1000)(9,8)(0,8m)3m<br />

2<br />

101325Pa + 20580Pa − 7840Pa = 500v2<br />

114065Pa<br />

2<br />

= v2<br />

500<br />

15,10 m = v2<br />

s<br />

2× (9,8)(2,1m) = 101325Pa +


2. En la figura, el fluido es agua y descarga libremente a la atmósfera.<br />

Para un flujo másico de 15 kg/s, determine la presión en el<br />

manómetro.


3. El tanque de una poceta tiene una sección rectangular de<br />

dimensiones 20cmx40cm y el nivel del agua está a una altura<br />

h = 20 cm por encima de la válvula de desagüe, la cual tiene un<br />

diámetro d2 = 5 cm. Si al bajar la palanca, se abre la válvula:<br />

a) ¿Cuál será la rapidez inicial de desagüe por esa válvula en función de<br />

la altura de agua remanente en el tanque?<br />

b) ¿Cuál es la rapidez inicial de desagüe? No desprecie la velocidad en<br />

la superficie del tanque.<br />

Aplicando la ecuación de Bernoulli


Calculamos la rapidez


RALPH FOWLER<br />

EQULILIBRIO TÉRMICO.<br />

Si dos cuerpos están a diferentes temperaturas y son puestos en contacto, pasando el<br />

tiempo alcanzaran la misma temperatura .ósea son ´´térmicamente equilibraos´´.<br />

Después de esto no hay flujo de calor. Todos los cuerpos tienen una energía interna.<br />

FÓRMULA<br />

Q = m. Ce. ∆t<br />

Q = Cantidad de calor que se gana o se pierde. Se expresa en calorías.<br />

m =Masa en gramos<br />

Ce =Es el calor especifico de un cuerpo se expresa en cal⁄gr ℃<br />

∆t =Variacion de temperatura Tf – To<br />

EL EQUILIBRIO DEPENDE DE 3 FACTORES<br />

1. El tipo de sustancias<br />

2. La cantidad que se coloque de cada una de ellas<br />

3. La temperatura que tenía cada sustancia antes de ponerse en<br />

contacto.<br />

SUPERFICIE DIATÉRMICA<br />

Permite que el calor se transmita más fácil, cuando los materiales están<br />

separados y no se mezclan. Un proceso diatérmico quiere decir que deja<br />

pasar el calor facilillamente, diatérmico también puede entenderse por<br />

isotérmico.<br />

LA LEY CERO DE LA TERMODINAMICA<br />

2 o más cuerpos pueden encontrar un equilibrio térmico, así estén a<br />

distintas temperaturas.


Ejercicios:<br />

1. Tienes una taza con 200 gramos de café a 100℃. ¿Cuánto se<br />

enfriara añadiéndole 50 gramos de agua a 0℃?<br />

Calor perdido por el café = calor ganado por el agua<br />

−cmc ∆T cafe = cma ∆T agua<br />

(1<br />

calcal<br />

) (200 gr)(100 − Tf ) = (1) (50 gr)(Tf − 0)<br />

gr℃gr℃<br />

20.000⁄<br />

20.000⁄<br />

200 Tf = 50 Tf<br />

250 = Tf = 80℃<br />

2. Tiene una taza con 200 gramos de café a 100℃ ¿Cuánto se enfriara<br />

añadiéndole 50 gramos de hielo a 0℃ ?<br />

Calor perdido por el café = calor ganado por el agua<br />

−cmc ∆T cafe = cma ∆T agua<br />

(1<br />

(1<br />

cal<br />

gr℃<br />

cal<br />

gr℃<br />

) (200 gr)(100 − Tf ) = (50 gr) (80<br />

cal<br />

) (50 gr)(Tf − 0)<br />

20.000 − 200 Tf = 4.000 + 50 Tf<br />

gr )+<br />

20.000−200<br />

250<br />

= Tf = 64℃


3. ¿Cuál será la temperatura de una mezcla de 50 gramos de agua a<br />

20℃ y 50 gramos de agua a 40℃?<br />

NOTA= para los 50 gramos de agua a 20℃ tendremos Q1 (cantidad<br />

de calor ganado).<br />

Q1 = m. Ce. ∆t<br />

Q1 = 50(1). (Tf − 20)(Q1)<br />

NOTA=para los 50 gramos de agua a 40℃ tendremos Q2 (cantidad<br />

de calor perdida).<br />

Q2 = 50(1). (40 − Tf )(Q2)<br />

Como Q1 y Q2 son iguales<br />

Q1= Q2<br />

50(1). (Tf − 20) = 50(1). (40 − Tf )<br />

(Tf − 20) = (40 − Tf )<br />

2Tf = 40 + 20<br />

2Tf = 60<br />

Tf = 60⁄2 ℃


TRANSFERENCIA DE CALOR:<br />

•Conducción:<br />

Transporte de calor es la principal forma de transmisión de calor en los<br />

materiales sólidos.<br />

- Transferencia de Calor:<br />

Proceso por el cual se intercambia energía en forma de calor.<br />

La conducción es la transferencia de calor por contacto.<br />

Mayor temperatura de un cuerpo mayor conducción.<br />

Conducción:<br />

Se transmite energía pero no la materia.<br />

Joseph Fourier<br />

(1768-1830)<br />

Teoría analítica del calor la velocidad de un cuerpo es proporcional a la<br />

temperatura ambiente del cuerpo.<br />

∆Q KA<br />

=(T1 − T2)<br />

∆tX<br />

∆Q<br />

= Es el calor transmitido por unidad de tiempo.<br />

∆t<br />

K = Es la conductividad térmica.<br />

A = Área de la superficie de contacto.<br />

X = Espesor del material.<br />

(T1 − T2) = Diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío.


QTc × Tf<br />

= ∆A ×<br />

td<br />

Tc = Temperatura de la cara del material desde la que se conduce el calor.<br />

Tf = Temperatura de la cara hacía la que se conduce el calor.<br />

Tc – Tf = ∆t<br />

A = Área.<br />

d = Distancia entre las caras.<br />

- Conductividad Térmica:<br />

Aspectos para tener en cuenta:<br />

Propiedad de los materiales para conducir calor.<br />

Buenos Conductores:<br />

-Oro<br />

-Plata<br />

La conductividad se expresa en unidades de:<br />

w<br />

m<br />

= k(J/s × m × °C)<br />

W = Watio<br />

m = Metro<br />

K = Kelvin<br />

J = Julio<br />

S = Segundo<br />

m = Metro<br />

°C = Celsius


Resistividad Térmica:<br />

Propiedad inversa de la conducción. Es la capacidad de los materiales para<br />

oponerse al paso del calor.<br />

Aislante:<br />

Cualquier material que conduce mal el calor.<br />

-Tela<br />

-Madera<br />

-Plásticos<br />

-Porcelana<br />

El vacío<br />

Es el mejor aislante térmico<br />

Ejm:<br />

Un termo.<br />

Datos:<br />

La condición térmica de los gases resulta mucho menor que la de sólidos<br />

y líquidos.<br />

(I)<br />

S<br />

= k × L × ∆T<br />

Calculo energía transferida:<br />

(I ) =<br />

w<br />

m×k<br />

Q<br />

t<br />

= k × L × ∆T<br />

× m × k × w


Ejercicios:<br />

H = dQ<br />

TH−Tc<br />

× KA × ( )<br />

dt L<br />

L = 45,0 cm = 0,45 m<br />

A = 1,25cm2 = 1,25 × 10−4m2<br />

TH = 100,00°C<br />

Tc = 0,0°C<br />

K = 385<br />

W<br />

m × K<br />

Corriente termino cobre:<br />

a). 100°C−0°C<br />

0,45 m<br />

b). H = (385<br />

c). TH − T =<br />

= 222<br />

W<br />

Kn<br />

H×L<br />

K×A<br />

°C<br />

m<br />

) (1,25 × 10−4 m2)(222<br />

HL<br />

T = TH − ( )<br />

KA<br />

°C<br />

m<br />

)<br />

T =<br />

100°C−(107w)(0,12m)<br />

w<br />

(385m°K)(1,25×10−4 m2 )


T = 787 °C<br />

Suponga que la varilla de la figura 17,23 α es de cobre, tiene 45,0 cm de<br />

longitud y área transversal de 1,25 cm2 sea T = 100,0°C y Tc = 0,0 °C.<br />

a). Calcule el gradiente de temperatura a lo largo de la varilla en el estado<br />

de equilibrio final.<br />

b). Calcule la corriente de calor en la varilla en el estado en equilibrio final.<br />

C). Calcule la temperatura de la varilla a 12,0 cm de su extremo izquierdo<br />

en el estado en equilibrio final.<br />

Una plancha de acero de espesor L con una conductividad térmica K es<br />

sometida a un flujo de calor uniforme y constante q. (<br />

W<br />

m2<br />

) es la superficie<br />

límite a x=0.<br />

En la otra superficie límite x=L, es el calor es disipado por convección<br />

hacía un fluido con temperatura T∞ y con un coeficiente de transferencia<br />

de calor h.<br />

Calcular las temperaturas superficiales T1 y T2 para:<br />

L = 20 m<br />

K = 20<br />

W<br />

m×°C<br />

w<br />

q=<br />

105 2<br />

m<br />

T∞ = 50°C.<br />

h = 500<br />

W<br />

m2 ×°C


Desde T2 a T∞ se transmite calor por convección por lo tanto se utiliza la<br />

fórmula:<br />

q = h × A(T2 - T∞)<br />

q<br />

A<br />

= h × (T2 - T∞)<br />

Reemplazando:<br />

|105<br />

w<br />

m2 °C = 500<br />

w<br />

m2 °C<br />

(T2 − 50°C )100°C = T1| − 250<br />

T1 = 350°C<br />

•Convección:<br />

Convección forzada:<br />

-Externa<br />

-Interna<br />

Depende del fluido si es interno o externo.<br />

La velocidad de transferencia es proporcional a la diferencia de<br />

temperatura entre la superficie y el fluido.<br />

Q − punto = h (Ts − Tf ) Ó<br />

Q − punto = hAs(Ts − Tf).<br />

¿Qué es convección?<br />

Se produce por medio de un fluido (Líquido o gas) que transporta el<br />

calor entre zonas con diferentes temperaturas.


Clasificación:<br />

-Natural:<br />

El movimiento del fluido es debido a causas naturales, como efecto de<br />

la flotación.<br />

-Forzada:<br />

Se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un<br />

ventilador o una bomba.<br />

Ts Temperatura superficie en contacto con el fluido.<br />

Tf Temperatura del fluido lo suficientemente lejos de dicha superficie.<br />

Ley de Newton del Enfriamiento:<br />

Q" = h (Ts − T∞)<br />

[ W<br />

m2 ]<br />

h = Coeficiente de transferencia de calor por convección.<br />

Si T∞ > TsQ" = h (Ts − T∞)<br />

El fluido fuera de la placa (a cierta distancia) tiene características<br />

estables de U∞ y T ∞ .<br />

Ecuaciones fundamentales para convección…<br />

- Ecuación de Continuidad:<br />

Esta dada en el sistema de coordenada rectangular por:<br />

p (pu) (pu) (pw)<br />

+++=0<br />

txyz<br />

p<br />

+ (pv ) = 0<br />

t<br />

Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de<br />

ENFRIAMIENTO DE NEWTON, es el siguiente:


H = hA(Ta − T)<br />

Donde H se llama coeficiente de convección, en W (M2 K), A es la<br />

superficie que entra calor con una Ta al fluido adyacente, que se<br />

encuentra en una temperatura T.<br />

Valores aproximados de coeficiente de convección H.<br />

PROCESO<br />

Gases<br />

Líquidos<br />

Gases<br />

Líquidos<br />

h ( W/M 2 K)<br />

CONVECCION LIBRE<br />

2 - 25.<br />

50 - 1000.<br />

CONVECCION FORZADA<br />

25 - 250.<br />

50 - 20.000.<br />

Ejercicios:<br />

El vidrio de una ventana se encuentra a 10°C y su área es de 1,2 m2 .<br />

Si la temperatura del aire exterior es a 0°C, calcular la energía que se<br />

pierde por convección cada segundo.<br />

Considerar h = w(m2k)


Solución :<br />

Los datos son:<br />

Ta = 10°C = 283 k; T = O°C = 273 k.<br />

A = 1,2 m2.<br />

Usando la ley de enfriamiento de Newton.<br />

H = hA(Ta − T)<br />

H = 4 [<br />

W<br />

m2 °K<br />

] × 1,2m2 (283 − 273)K = 48 W.<br />

q = h × A × (Tp − Tf)<br />

h = Constante de transferencia convección.<br />

CASO<br />

Convección natural: gases<br />

Convección natural: líquidos<br />

Convección de agua<br />

Convección forzada: gases<br />

Convección forzada: viscosos<br />

Convección forzada: agua<br />

Condensación vapores<br />

H(Kca/m-2h1°C-1)<br />

3-20.<br />

100-600.<br />

1000-20000.<br />

10-100.<br />

50-500.<br />

500-10000.<br />

4000-100000.<br />

a. Número de Nusselt.<br />

El número de Nusselt es una magnitud bastante utilizada para la<br />

determinación del coeficiente de transferencia de calor por convección,<br />

basada en el análisis dimensional, la cual es utilizada para determinar<br />

parámetros a través de relaciones de similitud. El número de Nusselt también<br />

es función de otro número adimensional, el número de Reynolds, así como el<br />

número de Prandtl.


Cálculo del número de Nusselt:<br />

El número de Nusselt proporciona una medida de la transferencia convectiva<br />

de calor en la superficie, siendo definido como:<br />

Dónde:<br />

Nu = Número de Nusselt;<br />

h = coeficiente de convección;<br />

L = longitud característica teniendo como valor por defecto L = 1;<br />

k = coeficiente de conductividad térmica del fluido.<br />

Por la definición del número de Nu se vuelve fácil darnos cuenta que este<br />

debe ser calculado solamente en paredes sólidas, así, consideramos entonces<br />

superficies sólidas a las caras del dominio que tengan velocidades prescritas e<br />

iguales a cero. El número de Nu también es calculado en la superficie de los<br />

bloques sólidos.<br />

Relación entre la transferencia de energía por convección y la transferencia<br />

que habría únicamente por conducción bajo una dad situación en un fluido.<br />

b. Numero de Reynolds:<br />

Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las<br />

características del flujo dentro de una tubería.<br />

El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de<br />

energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior,<br />

cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida<br />

de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra


en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el<br />

flujo será laminar. Un número de Reynolds mayor de 10 000 indican<br />

que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el<br />

flujo es turbulento.<br />

Se puede llegar a determinar expresando las respectivas ecuaciones y<br />

haciendo el cociente:<br />

Dónde:<br />

P= Densidad<br />

D= Diámetro<br />

V= Velocidad Fluido<br />

M= Viscosidad.<br />

p × v × d<br />

Re =<br />

M<br />

c. Numero de Prandtl:<br />

Relación entre la capacidad del fluido de transferir cantidad de<br />

movimiento y la capacidad de transferir su energía.<br />

•Radiación:<br />

M<br />

P<br />

Pr ==<br />

KK<br />

p × Cp<br />

M × Cp<br />

Se denomina radiación térmica o calorífica a la emitida por un cuerpo<br />

debido a su temperatura.<br />

Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su<br />

intensidad dependiente de su temperatura y de la longitud de onda<br />

considerada.<br />

Radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de<br />

onda 0,1 μm a 100 μm.


Temperatura superficial de la tierra:<br />

288 K (15°C), es decir el 99% de la radiación emitida está entre las<br />

longitudes de onda 3 / μm.<br />

La estratosfera de la tierra con una temperatura entre 210 y 220 K<br />

radia 4 y 120 micras con un máximo a las 14,5 micras.<br />

Por tanto la tierra sólo emite radiación infrarroja o térmica.<br />

Para que se perciba la radiación la diferencia de temperatura entre los<br />

dos cuerpos debe ser grande pues así este fenómeno se transmitirá la<br />

cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor<br />

radiante depende de la temperatura absoluta y de la naturaleza de la<br />

superficie.<br />

Tipos de Radiación:<br />

Radiación de Radio<br />

Radiación de Microondas<br />

Radiación Infrarroja<br />

Radiación Visible<br />

Radiación Ultravioleta<br />

Radiación X<br />

Radiación Gamma<br />

a2 T a2 T a2 TaT<br />

k ( 2 + 2 + 2 ) + q"G = pc<br />

axayazat<br />

Cantidad neta de calor<br />

que entra.<br />

Cantidad de energía<br />

generada en la unidad de<br />

tiempo.<br />

Aumento de la energía en<br />

la unidad.


Para que haya transferencia por radiación, depende de la diferencia de las temperaturas a la 4<br />

potencia.<br />

Ta 4 − Tb 4<br />

TEMPERATURA<br />

500°C<br />

800°C<br />

>1000°C<br />

COLOR<br />

Rojo Carmesí<br />

Amarillo<br />

Blanco muy Claro<br />

Ley de Stefan Bolteman:<br />

I = ∈× δ × T 4<br />

∈= Emisividad<br />

I = Intensidad<br />

δ = Constante de Bolteman. 5,67 x 10−8<br />

Interpretación:


EP<br />

I =<br />

= =∈ δT 4<br />

∆tA A<br />

Rapidez con la cual puede absorberse una energía térmica por cada<br />

unidad de área.<br />

Potencia emitida o absorbida:<br />

E<br />

p =<br />

∆t<br />

Energía de variación térmica con respecto al tiempo.<br />

Solución Problema:<br />

T = 227°C + 273°C = 500°C<br />

∈= 0,5

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