Problemas transferencia de calor y masa

Universidad Autónoma de Baja California

Unidad: Valle de las Palmas

Escuela de Ciencias de Ingeniería y Tecnología - ECITEC.

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Transferencia de calor y masa.

Portafolio: 1er Parcial.

M.C. Miriam Siqueiros Hernández

Programa Educativo: Ingeniero Aeroespacial

Alumno: Medina Caravantes David

Matrícula: 1227053

Grupo: 546

Tijuana, B. C., a 10 de marzo de 2016

Conceptos Básicos

•Calor: es una forma de energía que se puede transmitir de un sistema a otro como consecuencia de un balance de temperatura.

•Temperatura: es una propiedad de los movimientos moleculares de un objeto.

•Transferencia de calor: es un método de balance de energía entre dos o más cuerpos. Se da entre un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura. Se deduce gracias a la ley cero de la Termodinámica.

•Conducción: es un método de transferencia de calor que consiste en el contacto entre dos o más cuerpos en estado sólido y estacionario. En estado estacionario, la ecuación adecuada para medir el flujo de calor es la ley de Fourier para la conducción.

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Donde:

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•Convección: este método consiste en el intercambio entre moléculas frías y calientes. Tiene que ver el movimiento del fluido, ya que este se basa el total de transferencia de calor.

Existen dos tipos de transferencia de calor por convección:

-Natural: el cambio de temperatura del objeto sólo se adapta a la temperatura que tenga el ambiente.

-Forzada: cuando se utilizan otros medios además de los naturales para acelerar la transferencia de calor, por ejemplo un refrigerador.

Newton postuló una fórmula que ayuda a calcular el flujo de calor por convección.

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Donde        

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•Radiación: se logra mediante la emisión de ondas electromagnéticas. A diferencia de los otros métodos, éste no necesita un medio para su propagación.

Para calcular el flujo de calor por radiación, la ley de Sthefan-Boltzman ayuda a calcularla, siempre y cuando sea un sistema aislado y en estado estacionario.

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Donde

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1. Una olla de aluminio tiene un fondo plano con un diámetro de 15cm con un espesor de .4cm. Se transfiere calor en estado estacionario a través del fondo hasta hervir el agua con una razón de 800W. Si la superficie interior del fondo de la olla se encuentra a 105°C, determine la temperatura del exterior de la olla.

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Datos:

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Solución: el problema pide la temperatura exterior de la olla, así que sólo será necesario hacer un despeje a la fórmula de la ley de enfriamiento de Fourier para obtener la temperatura [pic 28]

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Sustituyendo datos:

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2. Considere una lámpara incandescente de 150W. El filamento de la lámpara tiene 5cm de largo y el diámetro es de .5mm. El diámetro del bulbo de vidrio de la lámpara es de 8cm. Determine el flujo de calor en [pic 31]

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Datos:

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Solución: se tendrá que despreciar el diámetro del vidrio de la lámpara ya que, en este caso es un dato chatarra. Obteniendo primero el flujo de calor por unidad de área, la respuesta sería la división del flujo de calor sobre el área del filamento.

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Sustituyendo: para obtener el área del filamento, se tomará como una sección cilíndrica (un cable).

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3. Una barra de oro está en contacto térmico con una barra de plata, ambas de la misma área transversal y el mismo espesor. Un extremo de la barra de oro se mantiene a  colocándolo en contacto con vapor de agua y de la barra de plata se mantiene a 0°C colocándolo en contacto con el hielo. Calcule la temperatura de la unión de las dos barras. Como datos, cuenta con un área de y [pic 39][pic 40][pic 41]

Datos:[pic 42]

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Solución: en este caso particular, se trata de dos materiales diferentes a temperaturas diferentes. Se puede resolver utilizando la ley de Fourier para cada caso e igualándolas para saber la temperatura en el punto de unión de ambas barras.

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El problema especifica que se trata de dos barras de la misma área transversal y el mismo espesor, así que podemos despreciar el área y el espesor para conseguir el temperatura en el punto de unión de las barras.

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Sustituyendo:

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4. Se usa un alambre de resistencia eléctrica de 50cm de largo y 2mm de diámetro, sumergido en agua, para determinar en forma experimental el coeficiente de transferencia de calor en la ebullición en agua a 1atm. Se mide la temperatura del alambre y es de 130°C, cuando un wattímetro indica que la potencia eléctrica consumida es de 4.1kW. Determine el coeficiente de transferencia de calor en la ebullición, aplicando la ley de Newton del enfriamiento.[pic 53]

Datos:

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Solución: Se trata de un problema de convección y es necesario buscar el coeficiente de transferencia de calor por convección.

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El área superficial pertenece a la de un cilindro, así que se obtiene con [pic 59]

Sustituyendo:

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5. Se conecta un resistor eléctrico a una batería. Después de una breve fluctuación transitoria, la resistencia forma una temperatura de estado estable casi uniforme de 95°C, mientras que la batería y los alambres de conexión permanecen a una temperatura ambiente de 25°C. No tome en cuenta la resistencia eléctrica de los alambres de conexión. Si se disipa energía de manera uniforme dentro del resistor que es un cilindro de diámetro de 60mm y longitud de 25mm. Determine la temperatura que debería tener para evacuar el calor sin tener en cuenta la radiación del resistor y el coeficiente de convección.

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