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Libro de Física Para Grado 11
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