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Guía de Ejercicios Propuestos IM414 U1

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Guía de Ejercicios IM-414 –Transferencia de Calor U1 
1. Un muro de hormigón, que tiene una superficie de 20 m2 y tiene 0.30 m de espesor, 
separa el aire acondicionado de la habitación con el aire ambiente. La temperatura de 
la superficie interna de la pared se mantiene a 25℃, y la conductividad térmica del 
hormigón es 1 W / m K. determine: 
a. La Pérdida de Calor a través de la pared para temperaturas ambientes de -10℃ 
y 38℃, que corresponden a temperaturas características en las estaciones de 
ivierno y verano, respectivamente. 
b. Muestre de manera gráfica la pérdida de calor como función de la temperatura 
ambiente para materiales de la pared que tengan conductividades térmicas de 
0.75 y 1.35 W / m K. Explique la familia de curvas que obtiene 
 
2. ¿Cuál es el espesor requerido de una pared de mampostería que tiene conductividad 
térmica 0,75 W / m K si la tasa de calor debe ser 80% de la tasa de calor a través de una 
pared estructural compuesta que tiene una conductividad térmica de 0.25 W / m K y un 
espesor de 100 mm? Ambas paredes están sometidas a la misma diferencia de 
temperatura superficial. 
 
3. En cierto experimento se usan muestras cilíndricas con un diámetro de 4 cm y una 
longitud de 7 cm (véase la figura). Los dos termopares en cada una de las muestras se 
colocan con 3 cm de separación. Después de los transitorios iniciales, se observa que el 
calentador eléctrico consume 0.6 A a 110 V y los dos termómetros diferenciales dan 
como lectura una diferencia de temperatura de 10°C. Determine la conductividad 
térmica de la muestra. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Un material super-aislante que tiene una conductividad térmica de 2 x 10−4 W / m K se 
usa para aislar un tanque de nitrógeno líquido que es mantenido a - 320 ℉; se requieren 
85.8 Btu para vaporizar cada libra de masa de nitrógeno a esta temperatura. Suponiendo 
que el tanque es una esfera que tiene un diámetro interior (DI) de 2 pies, estímese la 
cantidad de nitrógeno vaporizado por día con un aislante de 1.0 plg de grueso y a una 
temperatura ambiente de 70 ℉. Supóngase que la temperatura exterior del aislante es 
de 70 ℉. 
 
 
 
 
5. El flujo de calor que se aplica a una cara de una pared plana. es �̇� = 20 W / m2. La cara 
opuesta está expuesta al aire a una temperatura 30℃, con un coeficiente de 
transferencia de calor por convección de h= 20 W / m2 K. La temperatura de la superficie 
de la pared expuesta al aire se mide y se encuentra a 50 C. ¿Existen condiciones de 
estado estacionario? Si no, ¿la temperatura de la pared va aumentando o disminuyendo 
con el tiempo? 
 
6. Un tubo de agua caliente con un diámetro exterior de 5 cm y de 10 m de largo, a 80°C, 
está perdiendo calor hacia el aire circundante, a 5°C, por convección natural con un 
coeficiente de transferencia de calor de 25 W/m2· °C. Determine la razón de la pérdida 
de calor del tubo por convección natural, en W. 
 
7. Un transistor con una altura de 0.4 cm y un diámetro de 0.6 cm está montado sobre un 
tablero de circuito. El transistor se enfría por aire que fluye sobre él con un coeficiente 
promedio de transferencia de calor de 30 W/m2· °C. Si la temperatura del aire es de 
55°C y la temperatura de la caja del transistor no debe ser mayor de 70°C, determine la 
cantidad de potencia que este transistor puede disipar con seguridad. Descarte toda 
transferencia de calor desde la base del transistor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. Considere un colector solar de placa plana colocado horizontalmente sobre el techo 
plano de una casa. El colector tiene 5 ft de ancho y 15 ft de largo, y la temperatura 
promedio de la superficie expuesta del colector es 100°F. La emisividad de esa superficie 
expuesta es 0.9. Determine la razón de la pérdida de calor del colector por convección 
y radiación durante un día calmado, cuando la temperatura ambiente del aire es de 70°F 
y la temperatura efectiva del cielo para el intercambio de radiación es de 50°F. Tome el 
coeficiente de transferencia de calor por convección sobre la superficie expuesta como 
2.5 Btu/h · ft2 · °F. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9. Un flujo de calor por radiación solar de 700 W / m2 es absorbido por una placa de metal 
que se encuentra perfectamente aislada en su parte posterior. El coeficiente de 
transferencia de calor por convección en la placa es de 11 W/m2· °C y la temperatura 
del aire ambiente es de 30°C. Calcúlese la temperatura de la placa en condiciones de 
equilibrio. 
 
10. Una sonda interplanetaria esférica de 0.5 m de diámetro contiene electrónica que disipa 
150 W. Si la superficie de la sonda tiene una emisividad de 0.8 y la sonda no recibe 
radiación de otras superficies, como, por ejemplo, del sol, ¿cuál es su temperatura 
superficial? 
 
11. Un cable eléctrico de 1.4 m de largo y 0.2 cm de diámetro es extendido a través de una 
habitación que se mantiene a 20°C. En el cable se genera calor como resultado de la 
disipación de la energía eléctrica; al medirse la temperatura de la superficie del cable, 
resulta ser de 240ºC en condiciones de operación estacionaria. Asimismo, al medirse el 
voltaje y la corriente eléctrica en el cable, resultan ser de 110 V y 3 A, respectivamente. 
Si se ignora cualquier transferencia de calor por radiación, determine el coeficiente de 
transferencia de calor por convección para la transferencia entre la superficie externa 
del cable y el aire de la habitación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
12. Determine el valor de la conductividad térmica para la pared que se muestra en la figura, 
oh ¿De qué podría estar hecha? 
 
Datos: ℎ1 = 200 W/m
2°C 𝑇∞1 = 100℃, 𝑇1 = 20℃, 𝑇2 = 0℃, 𝐿 = 80 𝑚𝑚, 
nota 𝑇1 𝑦 𝑇2 corresponden a las temperaturas de superficie de la pared plana 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
13. Conducción unidimensional en estado estable con generación de energía interna 
uniforme ocurre en una pared plana con un espesor de 50 mm y una conductividad 
térmica constante de 5 W / m K. Para estas condiciones, la distribución de temperatura 
tiene la forma 𝑇(𝑥) = 𝑎 + 𝑏𝑥 + 𝑐𝑥2. La superficie en 𝑥 = 0 tiene una temperatura de 
𝑇(0) = 120℃ y experimenta convección con un fluido para el que 𝑇∞ = 20℃ y ℎ =
500 W/m2K . La superficie en 𝑥 = 𝐿 está bien aislada. 
Determinar: 
 
 
 
 
 
 
 
a) Aplicando un balance energía global a la pared, calcule la tasa de generación de 
energía volumétrica. 
b) Determine los coeficientes a, b y c aplicando las condiciones de contorno a la 
prescrita distribución de temperatura T(x). Utilice los resultados para calcular y 
graficar la distribución de temperatura. 
c) Considere las condiciones para las cuales el coeficiente de convección se reduce a 
la mitad, pero la generación volumétrica de energía la tasa permanece sin 
cambios. Determinar los nuevos valores de a, b y c, y use los resultados para trazar 
la distribución de temperatura. Sugerencia: reconozca que T (0) ya no es 120℃. 
 
14. Para la siguiente pared compuesta, determinar las temperaturas 𝑇𝑖 , 𝑇𝑟 siendo 𝑇𝑗 = 18℃ 
 
 
 
 
 
15. Una pared de 4 m de alto y 6 m de ancho consiste en ladrillos con una sección transversal 
horizontal de 18 cm x 30cm (k =0.72 W/m · °C) separados por capas de mezcla (k =0.22 
W/m · °C) de 3 cm de espesor. También se tienen capas de mezcla de 2 cm de espesor 
sobre cada lado de la pared y una espuma rígida (k =0.026 W/m2 · °C) de 2 cm de espesor 
sobre el lado interior de la misma. Las temperaturas en el interior y el exterior son de 
22°C y –4°C y los coeficientes de transferencia de calor por convección sobre los lados 
interior y exterior son h1 =10 W/m2 · °C y h2 =20 W/m2 · °C, respectivamente. Si se 
supone una transferencia unidimensional de calor y se descarta la radiación, determine 
la razón de la transferencia de calor a través de la pared. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16. Considere una pared de 5 m de alto, 8 m de largo y 0.22 m de espesor cuya sección 
transversal representativa se da en
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