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Resumen y repaso -V El calor es la transferencia de energía térmica de un lugar a otro. Hemos visto que la razón de transferencia por conducción, convección y radiación se puede predecir a partir de fórmulas experimentales. Deben entenderse los efectos producidos por las diferencias de materiales, el área superficial y las temperaturas para manejar muchas aplicaciones industriales de la transferencia de calor. Los principales conceptos presentados en este capítulo aparecen a continuación. • En la transferencia de calor por conducción, la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t a través de una pared o una varilla de longitud L está dada por Q A t H = — = M — Conducción t L donde A es el área y Ai la diferencia de temperatura de su superficie. La unidad del SI para H es el watt (W). Otras unidades que se usan comúnmente son kcal/s y Btu/h. A partir de esta relación, la conductividad térmica es QL k = Conductividad térmica tA A t Las unidades del SI para k son W/m • K. Pueden obtenerse conversiones útiles a partir de las definiciones siguientes: 1 kcal/m • s • °C = 4186 W/(m • K) 1 W/m • K = 6.94 Btu • in/(ft2 • h • °F) 1 Btu • in/(ft2 • h • °F) = 3.445 X 1CT5 kcal/(m • s • °C) • El valor R es un término de ingeniería cuyo propósito es medir la resistencia térmica que se opone a la conducción del calor. Se define como sigue: L Valor R R ~~k Al aplicar este concepto a diferentes materiales de distinto espesor se obtiene la ecuación siguiente: Q _ A A t _ A A t ^ ~ 2 (V * f) ~ 2 R, i i La cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo (Q/t) a través de diferentes materiales con distinto espesor es igual al producto del área A y la diferencia de temperatura At dividido entre la suma de los valores R de esos materiales. De acuerdo con la práctica actual de la ingeniería, las unidades del valor R son ft2 • °F • h/Btu. En la transferencia de calor por radiación, definimos la razón de radiación como la energía emitida por unidad de área y por unidad de tiempo (o simplemente la potencia por unidad de área): E P . R = — = — Razón de radiación, W/m rA A Según la ley de Stefan-Boltzmann, esta razón está dada por R = - = ecrT4 A cr = 5.67 X 1(T8 W /(m2 • K4) La ley de Prevost del intercambio de calor establece que un cuerpo que está a la misma temperatura que su entorno irradia y absorbe calor a la misma razón. Conceptos clave absorbedor ideal 376 conducción 370 conductividad térmica 371 convección forzada 375 convección natural 375 convección 370 corriente de convección 375 cuerpo negro 376 emisividad 376 ley de Prevost del intercambio de calor 378 ley de Stefan-Boltzmann 377 radiación térmica 370 radiador ideal 376 razón de radiación 377 resistencia térmica (valor R) 374 Preguntas de repaso 18.1. Analice la botella de vacío y explique cómo mini- 18.3. El calor fluye tanto por conducción como por radiamiza la transferencia de calor por conducción, con- ción. ¿Cuál es la diferencia entre ambas? ¿En qué vección y radiación. aspectos son similares? 18.2. ¿Qué factor determina la dirección de la transferencia de calor? 379
18.4. Un trozo de hierro caliente está suspendido por el centro dentro de un calorímetro evacuado. ¿Podemos determinar el calor específico del hierro con las técnicas presentadas en este capítulo? Comente su respuesta. 18.5. Comente las analogías que existen entre el flujo de calor en estado estacionario y el flujo de un fluido incompresible. 18.6. Una olla llena de agua se coloca sobre el quemador de gas de una estufa de cocina hasta que el agua hierve vigorosamente. Comente las transferencias de calor que se producen allí. ¿Cómo explicaría el hecho de que las burbujas que se forman en el agua son llevadas a la superficie formando una pirámide, en lugar de subir directamente? 18.7. Al colocar una llama debajo de un vaso de papel lleno de agua, es posible hacer que el agua hierva sin que se queme del fondo del vaso. Explique esta situación. 18.8. Si un trozo de madera se envuelve en un pedazo de papel y el sistema se calienta con una llama, el papel se quema. Pero si el papel se enrolla apretadamente en una varilla de cobre y se calienta en la misma forma, no se quema. ¿Por qué? 18.9. En un día frío, un trozo de hierro se siente más frío al tacto que un pedazo de madera. Explique por qué. 18.10. El cobre tiene más o menos dos veces más conductividad térmica que el aluminio, pero su calor específico es un poco menor que la mitad del que corresponde al aluminio. Se ha fabricado un bloque rectangular de cada uno de esos materiales, de modo que tengan masas idénticas y la misma área superficial en sus bases. Cada bloque se calienta a 300°C y se coloca encima de un gran cubo de hielo. ¿Cuál de los bloques dejará de hundirse primero? ¿Cuál se hundirá más profundamente? 18.11. Señale la diferencia entre conductividad térmica y calor específico, a partir de la relación de cada uno con la transferencia de calor. 18.12. El término absortividad se usa a veces en lugar del término emisividad. ¿Puede justificar tal uso? 18.13. ¿Por qué se requiere más acondicionamiento de aire para enfriar el interior de un automóvil color azul marino, que un automóvil blanco del mismo tamaño? 18.14. Si se intenta diseñar una casa que ofrezca la máxima comodidad tanto en verano como en invierno, ¿preferiría usted que tuviera el techo claro u oscuro? Explique su respuesta. 18.15. Si le interesa saber el número de kilocalorías transferidas por radiación en una unidad de tiempo, puede escribir la ley de Stefan-Boitzmann como sigue — = eaAT4 T En esta formulación de la ley, demuestre que la constante de Stefan a es igual a 1.35 X 10“ 11kcal/(m2 • s • K4) 18.16. Cuando se calienta un líquido en un matraz de vidrio, se suele colocar una malla de alambre entre la flama y el fondo del matraz. ¿Por qué es conveniente esta práctica? 18.17. ¿El aire caliente que se encuentra sobre el fuego se eleva o es empujado hacia arriba por las llamas? 18.18. ¿Es conveniente pintar un radiador de agua caliente o vapor con un emisor eficiente o con uno deficiente? Si se pinta de negro, ¿será más eficiente? ¿Por qué? 18.19. ¿Qué proceso es más rápido, la conducción o la convección? Dé un ejemplo para justificar su conclu- Probiemas Nota: Remítase las tablas 18.1 y 18.2 donde hallará las conductividades térmicas y otras constantes necesarias para la resolución de los problemas de esta sección. Sección 18.2 Conductividad 18.1. Un bloque de cobre tiene una sección transversal de 20 cm2 y una longitud de 50 cm. El extremo izquierdo se mantiene a 0°C y el derecho a 100°C. ¿Cuál es la razón de flujo de calor en watts? Resp. 154W 18.2. En el problema 18.1, ¿cuál es el flujo de calor si el bloque de cobre se sustituye por un bloque de vidrio de las mismas dimensiones? 18.3. Una varilla de bronce de 50 cm de longitud tiene un diámetro de 3 mm. La temperatura de uno de sus extremos es 76°C más alta que la del otro extremo. ¿Cuánto calor será conducido en 1 min? Resp. 7.03 J 18.4. Un panel de vidrio de una ventana mide 10 in de ancho, 16 in de largo y f in de espesor. La superficie interior está a 60°F y la exterior a 20°E ¿Cuántos Btu se transfieren al exterior en 2 h? 18.5. Un extremo de una varilla de hierro de 30 cm de largo y 4 cm2 de sección transversal se coloca dentro de un baño de hielo y agua. El otro extremo se coloca en un baño de vapor. ¿Cuántos minutos tendrán que pasar para transferir 1.0 kcal de calor? ¿En qué dirección fluye éste? Resp. 10.4 min, hacia el hielo 380 Capítulo 18 Resumen y repaso
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Física, conceptos y aplicaciones S
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22.23. Una fuente sonora de 3.0 W s
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23.4 El electroscopio de hojas de o
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Resumen La electrostática es la ci
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23.23. Una carga de 5 ¿aC se local
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24.7. Justifique el enunciado sigui
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Resumen El almacenamiento de cargas
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26.3. ¿Cuál sería el radio de un
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2 O. - w - 20 V —il— 3 n — M-
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Los instrumentos para obtener imág
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29.1 Magnetismo 569 Un descubrimien
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Resumen Hemos visto que ios campos
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Fuerza y momentos de torsión en un
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tir ese aparato en un instrumento c
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Inducción electromagnética Las im
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Objetivos Cuando term ine de estudi
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Resumen La investigación sobre la
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Reflexión y espejos La luz láser
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Preguntas de repaso Comente esta af
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no invertida de 5 cm de altura, ¿c
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¿Es lo mismo ver que creer? 35.7
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36.7. Un objeto se desplaza desde l
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Preguntas para la reflexión críti
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Problemas Tome como referencia la t
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