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Determine la temperatura de la superficie del calefactor cuando consume 700 W. Resuelva el problema a ) si se supone radiación despreciable y b ) si se toma en consideración la radiación. Con base en sus resultados, haga un comentario acerca de la suposi- ción establecida en el inciso a ).
1-129 Una pista de patinaje sobre hielo está ubicada en un edi- ficio en donde el aire está a T aire 20°C y las paredes, a T (^) w 25°C. El coeficiente de transferencia de calor por convección entre el hielo y el aire circundante es h 10 W/m^2 · K. La emi- sividad del hielo es e 0.95. El calor latente de fusión del hielo es hif 333.7 kJ/kg y su densidad, de 920 kg/m^3. a ) Calcule la carga necesaria de refrigeración del sistema para mantener el hielo a T (^) s 0°C, para una pista de 12 m x 40 m. b ) ¿Cuánto tardaría en fundirse d 3 mm de hielo de la superficie de la pista si no se proporciona enfriamiento y el lado inferior del hielo se considera aislado?
Problemas de examen de fundamentos de ingeniería (FI)
1-130 ¿Cuál de las ecuaciones siguientes se utiliza para deter- minar el flujo de calor por conducción?
a ) k A b ) k grad T c ) h ( T 2 T 1 ) d ) es T^4
e ) Ninguna de ellas.
1-131 ¿Cuál de las ecuaciones siguientes se utiliza para deter- minar el flujo de calor por convección?
a ) k A b ) k grad T c ) h ( T 2 T 1 ) d ) es T^4
e ) Ninguna de ellas.
1-132 ¿Cuál de las ecuaciones siguientes se utiliza para deter- minar el flujo de calor emitido por radiación térmica desde una superficie?
a ) k A b ) k grad T c ) h ( T 2 T 1 ) d ) es T^4
e ) Ninguna de ellas.
1-133 En una habitación, se enciende un calentador eléctrico de 1 kW y se mantiene así durante 50 minutos. La cantidad de energía transmitida por el calentador a la habitación es
a ) 1 kJ b ) 50 kJ c ) 3 000 kJ d ) 3 600 kJ e ) 6 000 kJ
1-134 Un bloque cúbico de hierro caliente, de 16 cm 16 cm 16 cm, se enfría a una tasa promedio de 80 W. El flujo de calor es a ) 195 W/m^2 b ) 521 W/m 2 c ) 3 125 W/m^2 d ) 7 100 W/m 2 e ) 19 500 W/m 2
1-135 Se sumerge un calentador eléctrico de 2 kW en 30 kg de agua y se enciende y mantiene así durante 10 min. Durante el proceso, se pierden del agua 500 kJ de calor. El aumento de temperatura del agua es de a ) 5.6°C b ) 9.6°C c ) 13.6°C d ) 23.3°C e ) 42.5°C
1-136 Se enfrían huevos con una masa de 0.15 kg cada uno y calor específico de 3.32 kJ/kg, de 32ºC a 10ºC, a razón de 300 huevos por minuto. La tasa de remoción de calor desde los hue- vos es de a ) 11 kW b ) 80 kW c ) 25 kW d ) 657 kW e ) 55 kW
1-137 Se enfrían bolas de acero a 140ºC con un calor especí- fico de 0.50 kJ/klg · °C, en un baño de aceite a una temperatu- ra promedio de 85°C a razón de 35 bolas por minuto. Si la masa promedio de las bolas de acero es de 1.2 kg, la tasa de transfe- rencia de calor de las bolas al aceite es de a ) 33 kJ/s b ) 1 980 kJ/s c ) 49 kJ/s d ) 30 kJ/s e ) 19 kJ/s
1-138 Se deja uno bebida embotellada fría ( m 2.5 kg, cp 4200 J/kg · °C) a 5°C sobre una mesa en un cuarto. Se observa que la temperatura promedio de la bebida se eleva hasta 15°C en 30 minutos. La razón promedio de la transferencia de calor a la bebida es a ) 23 W b ) 29 W c ) 58 W d ) 88 W e ) 122 W
dT dx
dT dx
dT dx
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA
W
· e
T ∞, h
T (^) w
Ts Q rad
Q conv A , e
.
.
FIGURA P1-
Tw = 25 °C
T (^) s = 0°C
Volumen de control
Hielo Aislamiento
Refrigerador
T aire = 20°C Q rad
Q carga
Q conv
h = 10 W/m^2 · K
.
.
.
FIGURA P1-
1-139 Entra agua a 20°C a un tubo, a razón de 0.25 kg/s, y se calienta hasta 60°C. La razón de la transferencia de calor al agua es
a ) 10 kW b ) 20.9 kW c ) 41.8 kW d ) 62.7 kW e ) 167.2 kW
1-140 Entra aire a 50°C a un tubo de 12 m de largo y 7 cm de diámetro, a razón de 0.06 kg/s. El aire se enfría a una razón promedio de 400 W por m 2 de área superficial del tubo. La temperatura del aire a la salida del tubo es
a ) 4.3°C b ) 17.5°C c ) 32.5°C d ) 43.4°C e ) 45.8°C
1-141 Se pierde calor en forma continua a través de una ven- tana de vidrio de 2 m 3 m y 0.5 cm de espesor cuya conduc- tividad térmica es de 0.7 W/m · °C. Se sabe que las tempera- turas de las superficies interior y exterior del vidrio son 12°C y 9°C. La razón de la pérdida de calor por conducción a través del vidrio es
a ) 420 W b ) 5 040 W c ) 17 600 W d ) 1 256 W e ) 2 520 W
1-142 La pared de una casa calentada eléctricamente tiene 6 m de largo, 3 m de alto y 0.35 m de espesor, y una conductivi- dad térmica efectiva de 0.7 W/m · °C. Si las temperaturas de las superficies interior y exterior de la pared son de 15°C y 6°C, la razón de la pérdida de calor a través de la pared es
a ) 324 W b ) 40 W c ) 756 W d ) 648 W e ) 1 390 W
1-143 A través de una pared compuesta de 9 m 3 m de di- mensiones y de 0.3 m de espesor ocurre conducción de calor estable a razón de 1.2 kW. Si las temperaturas de las superficies interna y externa de la pared son de 15ºC y 7ºC, la conductivi- dad térmica efectiva de la pared es de
a ) 0.61 W/m · °C b ) 0.83 W/m · °C c ) 1.7 W/m · °C d ) 2.2 W/m · °C e ) 5.1 W/m · °C
1-144 Se pierde calor a razón de 500 W a través de una pared de ladrillos ( k 0.72 W/m · °C) que tiene 4 m de largo, 3 m de ancho y 25 cm de espesor. Si la superficie interior de la pared está a 22°C, la temperatura en el plano medio de ella es
a ) 0°C b ) 7.5°C c ) 11.0°C d ) 14.8°C e ) 22°C
1-145 Considere dos materiales diferentes, A y B. La razón de las conductividades térmicas es kA / k (^) B 13, la razón de las densidades es r A /r B 0.045 y la razón de los calores específi- cos es c (^) p,A / c (^) p,B 16.9. ¿Cuál es la razón de las difusividades térmicas a A /a B?
a ) 4 882 b ) 17.1 c ) 0.06 d ) 0.1 e ) 0.
1-146 Un tablero de circuitos de 10 cm de alto y 20 cm de ancho aloja sobre su superficie 100 chips espaciados en forma cerrada, generando cada uno de ellos calor a razón de 0.08 W y transfiriéndolo por convección y radiación hacia el medio que lo rodea, que se encuentra a 40°C. La transferencia de calor desde la superficie posterior del tablero es despreciable. Si el coeficiente combinado de transferencia de calor por convec-
ción y radiación del tablero es 22 W/m^2 · °C, la temperatura su- perficial promedio del chip es a ) 72.4°C b ) 66.5°C c ) 40.4°C d ) 58.2°C e ) 49.1°C
1-147 Se usa un alambre de resistencia eléctrica de 40 cm de largo y 0.4 cm de diámetro, sumergido en agua, para determi- nar el coeficiente de transferencia de calor por convección en agua durante la ebullición, a una presión de 1 atm. Se sabe que la temperatura superficial del alambre es de 114°C, cuando un wattímetro indica que el consumo de potencia eléctrica es de 7.6 kW. El coeficiente de transferencia de calor es a ) 108 kW/m^2 · °C b ) 13.3 kW/m 2 · °C c ) 68.1 kW/m^2 · °C d ) 0.76 kW/m 2 · °C e ) 256 kW/m^2 · °C
1-148 Se enfría un objeto con forma de prisma rectangular de 10 cm 12 cm 14 cm, hecho de madera (r 721 kg/m^3 , cp 1.26 kJ/kg · °C), desde 100°C hasta la temperatura ambiente de 20°C, en 54 minutos. El coeficiente promedio de transfe- rencia de calor en el curso de este proceso es a ) 0.47 W/m 2 · °C b ) 5.5 W/m^2 · °C c ) 8 W/m 2 · °C d ) 11 W/m 2 · °C e ) 17 830 W/m 2 · °C
1-149 Se suspende una bola negra de 30 cm de diámetro en el aire y se está perdiendo calor hacia el aire de los alrededores, que está a 25°C, por convección y con un coeficiente de trans- ferencia de calor de 12 W/m 2 · °C, y por radiación hacia los alrededores que están a 15°C. La razón total de la transferencia de calor desde la bola negra es a ) 322 W b ) 595 W c ) 234 W d ) 472 W e ) 2 100 W
1-150 Una superficie negra de 3 m 2 , que está a 140°C, está perdiendo calor hacia el aire de los alrededores que se encuen- tra a 35°C, por convección con un coeficiente de transferencia de calor de 16 W/m 2 · °C, y por radiación hacia los alrededores que están a 15°C. La razón total de la pérdida de calor de la su- perficie es a ) 5 105 W b ) 2 940 W c ) 3 779 W d ) 8 819 W e ) 5 040 W
1-151 Se puede hacer una aproximación de la cabeza de una persona como una esfera de 25 cm de diámetro a 35°C, con una emisividad de 0.95. Se pierde calor de la cabeza hacia el aire de los alrededores que se encuentra a 25°C, por convección con un coeficiente de transferencia de calor de 11 W/m^2 · °C, y por radiación hacia los alrededores que están a 10°C. Si se descarta el cuello, determine la razón total de la pérdida de calor desde la cabeza. a ) 22 W b ) 27 W c ) 49 W d ) 172 W e ) 249 W
1-152 Un alambre eléctrico mide 30 cm de largo y 0.5 cm de diámetro, y se utiliza para determinar en forma experimental el coeficiente de transferencia de calor por convección en el aire a 25ºC. La temperatura superficial del alambre se mide y es de 230ºC cuando el consumo de energía eléctrica es de 180 W. Si la pérdida de calor por radiación desde el alambre se calcula y
CAPÍTULO 1
