P2_SOL_F2_2015

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UNIVERSIDAD DE PIURA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
CURSO: FÍSICA GENERAL II 
Practica Calificada N° 02 
Sin libros y sin apuntes. Sólo formulario NOMBRE: _____________________________
 
INSTRUCCIONES: TRABAJE CON ORDEN Y LIMPIEZA. 
 
No usar corrector, ni lápiz. No se permite el préstamo de útiles entre alumnos durante esta práctica. 
 
I. TEORIA (4 puntos) 
 
a. ¿Cuáles son las formas de transferencia de calor? 
Conducción, convección y radiación 
 
b. ¿Qué significa estado estacionario o estable en la transferencia de calor? 
Cuando la temperatura es constante en función del tiempo. 
 
c. ¿Qué es un cuerpo negro? ¿Cuál es el valor de su emisividad? 
Es aquel cuerpo ideal que absorbe o emite la máxima cantidad de energía radiante. 
Emisividad igual a 1. 
 
d. Explique como el Sol transfiere calor a la Tierra. 
A través del fenómeno de transferencia de calor por radiación 
 
II. PROBLEMAS (16 puntos) 
 
1. Una pared compuesta de dos paredes simples en serie, una de ladrillo de 10 cm de espesor y otra 
de madera de 5 cm de espesor. La cara libre de la pared de ladrillo está a 100 °C y la cara libre 
de la pared de madera está a 20 °C Halle: (a) la temperatura de la superficie de contacto de 
ambas paredes, (b) el flujo calorífico por unidad de área y (c) el gradiente térmico en cada pared. 
(d) Grafique, a escala, la variación de la temperatura en el espesor de las paredes. 
 
(a) 
Ts=54.28 °C 
 
(b) 
h=13.71 cal/s.m
2
=57.41 W/ m
2 
 
(c) 
dT/dx1=-457.2 °C/m 
dT/dx2=-685.6 °C/m 
 
(d) 
 
 
2. 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 estacionario. 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 de la 
pared de ladrillo? 
 
 
Figura 1. Problema 2 
 
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
variación de la temperatura en el espesor de las paredes
x
T
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




   
    
      

 
 
3. Se deja una plancha de 1 000 W sobre una tabla de planchar con su base expuesta al aire a 20°C. 
El coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie de la base y el aire 
circundante es 35 W/m
2
°C. Si la base tiene una emisividad de 0.6 y un área superficial de 0.02 
m
2
, determine la temperatura de la base de la plancha. 
 
La emisividad de la superficie de la base está dada como 0.6 
 
En condiciones estacionarias, los 1000 W de energía suministrados a la plancha se 
disiparán a los alrededores por convección y radiación. Por lo tanto Sustituyendo 
 
2 2
4 4 2 8 2 4 4 4
0
8 4 4
1000
(35 / . )(0.02 )( 293 ) 0.7( 293 )
( ) 0.6(0.02 )(5.67*10 / . )( (293 ) )
0.06804*10 ( (293 ) )
total conv rad
s s sconv
s s srad
srad
Q Q Q W
Q hA T W m K m T K T K
Q A T T m W m K T K
Q T K

  





  
     
   
 
 
8 4 41000 0.7( 293 ) 0.06804*10 ( (293 ) )s sW T K T K
    
Por iteración 
947 674sT K C   
 
 
 
4. Julio A. tiene un calentador eléctrico con área superficial total de 0.25m2 y una emisividad de 
0.75, que está en un cuarto en donde el aire tiene una temperatura de 20°C y las paredes se 
encuentran a 10°C. Cuando el calefactor consume 500W de potencia eléctrica, su superficie tiene 
una temperatura estacionaria de 120°C. Determine la temperatura de la superficie del calefactor 
cuando consume 700W. Resuelva el problema 
 
a) Si se supone radiación despreciable 
b) Si se toma en consideración la radiación 
 
 
Figura 2. Problema 4 
 
 
a) Ignorando la radiación el coeficiente de convección es determinado por: 
.
2
2
500
20 /
( ) (0.25 )(120 20)s
Q W
h W m C
A T T m C
   
  
 
La temperatura de la superficie del calentador cuando consume 700W es:
.
2 2
700
20 160
(20 / )(0.25 )
s
Q W
T T C C
hA W m C m
      

 
 
b) Considerando la radiación el coeficiente de convección es determinado por: 
 
La temperatura de la superficie sería: 
 
 
 
 
Constantes físicas de algunos materiales 
Material )/( 3mkg
x103 
Y(Pa) 
x1011 
B(Pa) 
x1011 
β (°C-1) 
x10-5 
c 
(cal/groC) 
k 
(cal/s.m.
o
C) 
Acero 7.960 2.00 1.600 3.60 0.1130 11 
Aluminio 2.700 0.70 0.700 7.20 0.2150 49 
Cobre 8.900 1.10 1.400 5.10 0.0923 92 
Latón 5.70 26 
Vidrio 2.600 0.55 0.370 1.85 0.2000 0.2 
Agua 1.000 0.022 20 1.0000 
Agua de Mar 1.024 0.020 20 
Alcohol 0.806 0.009 75 0.5800 
Mercurio 13.600 0.027 18 0.0329 
Hielo 0.917 0.382 
.
4 4
2 8 2 4 4 4 4
2
2
( )
( )
500 (0.75)(0.25 )(5.67 10 / )(393 283 )
12.58 /
(0.25 )(120 20)
s paredes
s
Q A T T
h
A T T
W m W m K K
h W m C
m C
 


 


   
  
 
.
4 4
8 4 4 4
( ) ( )
700 (12.58)(0.25)( 293) (0.75)(0.25)(5.67 10 )( 283 )
425.9 152.9
s s paredes
s s
s
Q hA T T A T T
T T K
T K C
 

   
    
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cemento 0.200 
Madera 0.020 
Ladrillo 0.030