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TEMA 1
PROBLEMAS PARA REALIZAR EN CLASE
1.1. Problema (1-104)*
El techo de una casa consta de una losa de hormigón (k = 2 W/m ·ºC) de 15 cm de espesor, la cual tiene 15 m de
ancho y 20 m de largo. La emisividad de la superficie exterior del techo es 0,9 y se estima que el coeficiente de
transferencia de calor por convección sobre esa superficie es 15 W/m2·ºC. La superficie interior del techo se
mantiene a 15 °C. En una noche clara de invierno, se informa que el aire ambiente está a 10°C, en tanto que la
temperatura nocturna del cielo para la transferencia de calor por radiación es de 255 K. Considerando tanto la
transferencia de calor por radiación como por convección, determine la temperatura de la superficie exterior y la
velocidad de transferencia de calor a través del techo.
Si la casa se calienta por un hogar en el que se quema gas natural con una eficiencia de 85% y el costo unitario
del gas natural es de 0,60 dólar/therm (l therm = 105500 kJ de contenido de energía), determine el dinero perdido
a través del techo esa noche, durante un periodo de 14 horas.
1.2. Problema (1-118)*
Una placa metálica delgada tiene aislada la parte posterior y la superficie del frente expuesta a la radiación solar.
La superficie expuesta de la placa tiene una absortividad de 0,7 para la radiación solar. Si la radiación solar
incide sobre la placa a razón de 700 W/m2 y la temperatura del aire circundante es de 10°C, determine la
temperatura superficial de la placa cuando la pérdida de calor por convección y radiación es igual a la energía
solar absorbida por dicha placa. Tome el coeficiente de transferencia de calor por convección como 25 W/m2·ºC
y la emisividad de la placa como 0,8. La temperatura media de las superficies que rodean a la placa se encuentra
a una temperatura media de 5ºC.
INGENIERIA TERMICA - CONDUCCION – TEMA 1 – Problemas
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PREGUNTAS CONCEPTUALES Y/O TIPO TEST A REALIZAR POR EL ALUMNO
1.1. Concepto (1-8C)*
¿Qué es flujo de calor? ¿Cómo está relacionado con la razón de transferencia de calor?
1.2. Concepto (1-11C)*
Se calienta un gas ideal desde 50°C hasta 80°C a) a volumen constante y b) a presión constante. ¿Para cuál de los
dos casos piensa qué la energía requerida será mayor? ¿Por qué?
1.3. Concepto (1-22C)*
En un día caluroso de verano un estudiante enciende su ventilador cuando sale de su cuarto en la mañana.
Cuando regrese en la tarde, ¿su cuarto estará más caluroso o más frío que los cuartos vecinos? ¿Por qué?
Suponga que todas las puertas y ventanas se mantienen cerradas.
1.4. Concepto (1-24)*
Dos automóviles de 800 kg que se están moviendo a una velocidad de 90 km/h chocan de frente en una carretera.
Los dos automóviles quedan por completo en reposo después del choque. Suponiendo que toda la energía
cinética de los automóviles se convierte en energía térmica, determine la elevación promedio de la temperatura
de los restos de los dos automóviles inmediatamente después de la colisión. Tome el calor específico promedio
de los automóviles como 0,45 kJ/kg ºC.
1.5. Concepto (1-36C)*
Considere dos casas que son idénticas, excepto porque, en una de ellas, las paredes se construyen con ladrillos y,
en la otra, con madera. Si las paredes de la casa de ladrillos tienen el doble de espesor, ¿cuál de las casas piensa
usted que será más eficiente respecto al uso de la energía?
1.6. Concepto (1-42C)*
¿En qué difiere la conducción de calor de la convección?
1.7. Concepto (1-91C)*
¿Pueden ocurrir simultáneamente los tres modos de transferencia de calor (en paralelo) en un medio?
1.8. Concepto (1-92C)*
¿Puede un medio comprender a) conducción y convección, b) conducción y radiación o c) convección y
radiación simultáneamente? Dé ejemplos para las respuestas que sean "sí'.
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PROBLEMAS A REALIZAR POR EL ALUMNO
1.1. Problema (1-14)*
Considere una lámpara incandescente de 150 W. El filamento de la lámpara tiene 5 cm de largo y el diámetro es
de 0,5 mm. El diámetro del bulbo de vidrio de la lámpara es de 8 cm.:
a) Determine el flujo de calor, en W/m2 sobre la superficie del filamento
b) Determine el flujo de calor, en W/m2 sobre la superficie del bulbo de vidrio
c) Calcule cuánto costará al año mantener esa lámpara encendida durante 8 horas al día, todos los días, si el costo
unitario de la electricidad es de 0,08 dólar/kWh.
Respuestas: a) 1,91 x 106 W/m2 b) 7500 W/m2 c) 35,04 dólares/año
1.2. Problema (1-117)*
Se sabe bien que el viento hace que el aire frío se sienta mucho más frío como resultado del efecto de
enfriamiento por el viento, que se debe al aumento en el coeficiente de transferencia de calor por convección
junto con el aumento en la velocidad del aire. El efecto de enfriamiento por el viento suele expresarse en
términos de factor de enfriamiento por el viento, el cual es la diferencia entre la temperatura real del aire y la
temperatura equivalente del aire en calma. Por ejemplo, un factor de enfriamiento por el viento de 20°C, para
una temperatura real del aire de 5°C, significa que el aire ventoso a 5°C se siente tan frío como el aire en calma a
-15°C. En otras palabras, una persona desprenderá tanto calor hacia el aire a 5°C, con un factor de enfriamiento
por el viento de 20°C, como el que perdería en aire en calma a - 15 °C.
Para los fines de la transferencia de calor, un hombre de pie se puede modelar como un cilindro vertical de 30
cm de diámetro y 170 cm de largo, con las superficies tanto de arriba como de abajo aisladas y con la superficie
lateral a una temperatura promedio de 34°C. Para un coeficiente de transferencia de calor por convección de 15
W/m2·ºC, determine la velocidad de pérdida de calor de este hombre, por convección, en aire en calma a 20°C.
¿Cuál sería su respuesta si el coeficiente de transferencia de calor por convección se incrementara hasta 50
W/m2·ºC como resultado del viento? ¿Cuál es el factor de enfriamiento por el viento en este caso?
Respuestas: 336 W, 1120 W, 32,7ºC
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1.3. Problema (1-121)*
Considere un refrigerador cuyas dimensiones son 1,8 m x 1,2 m x 0,8 m y cuyas paredes son de 3 cm de espesor.
El refrigerador consume 600 W de potencia cuando está en operación y tiene un coeficiente de rendimiento
(COP) de 2,5. Se observa que el motor del refrigerador permanece encendido durante 5 minutos y, a
continuación, está apagado durante 15 minutos, de forma periódica. Si las temperaturas promedio en las
superficies interiores y exteriores del refrigerador son 6 °C y 17 °C, respectivamente, determine la conductividad
térmica promedio de las paredes del mismo. También determine el costo anual de operación de este refrigerador
si el costo unitario de la electricidad es de 0,08 dólar/kWh.
Respuestas: 0.112 W / m·ºC, 105,1dólares/año
* Numeración de los problemas según el apartado de problemas del CAPÍTULO 1 del:
ÇENGEL, Y. A. TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA, Un enfoque práctico.
McGraw-Hill. 3 Edición. 2007.
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