SOLUCIoN PRaCTICA N_1

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UNIVERSIDAD DE PIURA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
CURSO: FÍSICA GENERAL II 
Practica Calificada N° 01 
Fecha: Lunes, 16 de Enero de 2012. 
Sin libros y sin apuntes NOMBRE: _____________________________
 HORA: 4:00 a 6:00 pm 
 
INSTRUCCIONES: TRABAJE CON ORDEN Y LIMPIEZA. 
 
TEORÍA (30 minutos) 
Responder a las siguientes preguntas: 
 
1. Cómo se relacionan el coeficiente de expansión lineal y de volumen en sólidos. 
Demostrar. 
 (1.25 puntos) 
 
0
0 0 0 0
0
0 0 0 0 0 0 0
3 3
0 0
3
0 0
3
0 0
0
30 0
0 0
( )( )( )
Se sabe que 
( )( )( )
(1 )
También se sabe que , entonces
(1 )
Dividiendo entre 
(1 )
1
V V T
V V L L L L L L
L L T
V V L L T L L T L L T
V V L T
L V
V V V T
V
V V V
T
V V


  



  
        
  
        
    

    
 
  
2 3
0
2 3
0
0
1 3 3( ) ( )
Como es un número pequeño al elevarlo al cuadrado o al cubo se hace
más pequeño entonces
( ) 0 ( ) 0
1 1 3
1
3 ......
V
T T T
V
T T
V
T
V
V
V T
  

 



       
 

   
   
    
  
0
0
........(1)
De la definición de expansión volumétrica
1
.............(2)
Igualando 1 y 2
3
V
V V T
V T
 
 
   
       
  

 
 
2. Calcule la razón de transferencia de calor por conducción en un cilindro (1.25 
puntos) 
 
2 2
1 1
2 2
1 1
,
,
,
2
2 1
1
2 1
,
2
1
2
1
2
ln ( )
2
2 ( )
ln( )
cond cil
r T
cond cil
r r T T
r T
cond cil
r T
cond
cond cil
dT
Q kA
dr
Q
dr kdT
A
A rL
Q
dr k dT
L r
Q r
k T T
L r
Lk T T
Q
r
r




 
 
 

 
 
   
 


 
 
 
 
3. Calcule la razón de transferencia de calor por conducción en una esfera (1.25 
puntos) 
 
2 2
1 1
2 2
1 1
,
,
2
,
2
,
1 2
1 2
,
1 2
2 1
1 2 1 2
,
2 1
4
4
1 1
( )
4
1 1
( )
4
4 ( )
( )
cond esf
r T
cond esf
r r T
r T
cond esf
r T
cond esf
cond esf
cond esf
dT
Q kA
dr
Q
dr kdT
A
A r
Q
dr kdT
r
Q
k T T
r r
Q
k T T
r r
kr r T T
Q
r r






 
 

 
  
     
  
 
   
 



 
 
 
T2 
R2 
 
T1 
R1 
r2 
r1 
4. La conductividad térmica de una aleación suele ser mucho más baja que la 
de cualesquiera de los metales de los que está compuesta (0.25 puntos). 
 
5. Esquematice un aparato experimental para determinar la conductividad 
térmica de un material. (0.5 puntos) 
 
6. Completar (0.5 puntos) 
 
 
7. Defina convección natural y convección forzada (0.25 puntos c/u). 
Convección natural: si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de 
empujes que son inducidas por las diferencias de densidades debidas a la variación 
de la temperatura. 
Convección forzada: si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante 
medios externos como un ventilador, una bomba o el viento. 
 
8. Defina la ley cero de la termodinámica (0.5 puntos). 
La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en 
equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. 
 
La ley cero se puede volver a expresar como: dos cuerpos están en equilibrio 
térmico sí ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en 
contacto. 
 
9. Considere dos bebidas enlatadas frías, una envuelta en una manta y la otra 
colocada sobre una mesa en el mismo cuarto. ¿Cuál bebida se entibiará 
más rápido? (1 punto). 
La manta introducirá resistencia a la transferencia de calor y disminuirá la ganancia 
de calor de la bebida envuelta en ésta. Por lo tanto, la bebida colocada en la mesa, se 
calentará más rápido. 
 
10. ¿En qué difiere la ciencia de la transferencia de calor de la ciencia de la 
termodinámica? (0.5 puntos). 
En que en un análisis termodinámico interesa la cantidad de la transferencia de calor 
conforme un sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro. En 
cambio la Transferencia de calor interesa las razones de esa transferencia de 
energía. 
 
11. Para el sistema internacional y para el sistema técnico inglés ¿cuáles son las 
unidades de la conductividad térmica? (0.5 puntos). 
Sistema internacional: W/m.°C 
Sistema técnico inglés: Btu/h.ft.°F 
 
UNIVERSIDAD DE PIURA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
CURSO: FÍSICA GENERAL II 
Practica Calificada N° 01 
Fecha: Lunes, 16 de Enero de 2012. 
Sin libros y sin apuntes NOMBRE: _____________________________
 HORA: 4:00 a 6:00 pm 
INSTRUCCIONES: TRABAJE CON ORDEN Y LIMPIEZA. 
 
EJERCICIOS (90 minutos) 
1. Los gases calientes de combustión de un horno se separan del aire ambiental y sus 
alrededores, que están a 25°C, mediante una pared de ladrillos de 0.15 m de espesor. 
El ladrillo tiene una conductividad térmica de 1.2 W/m.K y una emisividad superficial 
de 0.8. Se mide una temperatura de la superficie externa de 100°C en condiciones de 
estado estable. La transferencia de calor por convección libre al aire contiguo a la 
superficie se caracteriza por un coeficiente de convección de 20 W/m
2
.K. ¿Cuál es la 
temperatura de la superficie interior del ladrillo?(6 puntos) 
 
 
 
4 41 2
2 00 2
8 4 4
1
8 4 4
1
0
1
( )
( ) ( )
1.2
( 100) 20(100 25) 0.8(5.67 10 )(373.15 298.15 )
0.15
0.15
20(100 25) 0.8(5.67 10 )(373.15 298.15 ) 100
1.2
352.63
alr
k T T
h T T e T T
L
T x
T x
T C




   
    
      

 
 
 
 
 
 
 
 
2. Imagine que acaba de comenzar a trabajar como ingeniero en Motores, S.A. y le 
encargaron diseñar pistones de latón que se deslizarán dentro de cilindros de acero. 
Los motores en los que se usarán los pistones operarán a temperaturas entre 20 °C y 
150 °C. Suponga que los coeficientes de expansión son constantes dentro de ese 
intervalo de temperaturas. 
a) Si el pistón apenas cabe dentro del cilindro a 20 °C, ¿los motores podrán 
operar a temperaturas más altas? Explique su respuesta (1 punto). 
b) Si los pistones cilíndricos tienen un diámetro de 25 cm a 20 °C, ¿qué diámetro 
mínimo deberán tener los cilindros a esa temperatura, para que los pistones 
operen a 150 °C? (2 puntos). 
   
1 15 52.0 10 1.2 10latón aceroC C 
       
 
 
a) NO, el latón se expande más que el acero. 
b) D0 es el diámetro del cilindro de acero a 20°C 
a 150°C Dcil = Dpistón 
 
0
0
5
0 5
0
25
25(1 )
(1 )
25 1 2 10 (130)
1 1.2 10 (130)
25.026
piston
piston
cil
D cil cm D
T
D
T
x
D
x
D cm




    
 

 
  
  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. Cuando hace frío, un mecanismo importante de pérdida de calor del cuerpo humano es 
la energía invertida en calentar el aire que entra en los pulmones al respirar. 
a) En un frío día de invierno cuando la temperatura es de -20 °C, ¿cuánto calor se 
necesita para calentar a la temperatura corporal (37 °C) los 0.50 litros de aire 
intercambiados con cada respiración? Suponga que el calor específico del aire 
es de 1200 J/kg.K y que 1.0 litro de aire tiene una masa de 1.3x10
-3
 kg. (1.5 
puntos). 
b) ¿Cuánto calor se pierde por hora si se respira 20 veces por minuto? (1.5 
punto). 
3
3
1
) (1.3 10 )
2
1
 (1.3 10 )(1200)(37 ( 20))
2
 44.46 /
20 60min
) 44.46
1min 1
 53352
 14.82
a m x
Q x
Q J respiracion
J respiraciones
b Q
respiracion h
J
Q
h
Q W



  

  
   
  

