Guía de Repaso 17: Transferencia de Calor-Estudio Cuantitativo

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Termodinámica y Máquinas Térmicas Prof. Faber ______________________________________________________________________

Guía de Repaso 17: Transferencia de Calor-Estudio Cuantitativo 1- a) Suponga que en la ecuación Φ=K⋅A⋅(T 2−T 1)/ L , la cantidad de calor se mida en kcal (1 kcal= 103 cal), el tiempo en segundos, L en metros, A en m2 y las temperaturas en °C. ¿Cuál sería en este caso, la unidad de la conductividad térmica K? b) Consulte la tabla al pie y verifique si la unidad allí utilizada para K, coincide con su respuesta de la pregunta anterior. 2- Consulte la tabla al pie e identifique, entre las sustancias allí presentadas: a) Aquella que es el mejor aislante térmico. b) Aquella que es la mejora conductora del calor. 3- Teniendo en cuenta la respuesta del ejercicio anterior, explique porque en países de clima frio se suelen usar las ventanas de vidrio doble, como se muestra en la figura (este tipo de ventanas llega a reducir hasta 50% las pérdidas de calor). 4- a) Calcule el flujo, Φ , de calor a través del vidrio de una ventana, de área A= 3 m2 y de espesor L= 4 mm, sabiendo que las temperaturas de las superficies interna y externa del vidrio son de 15°C y 14°C, respectivamente. b) Determine, aproximadamente, cuantas lámparas de 100W podrían mantenerse encendidas con el flujo de calor perdido a través de esa ventana (considere 1 cal= 4,2 J). 5- Una pared de concreto tiene un espesor de 20 cm. Se quiere sustituirla por otra de la misma área, con la misma capacidad de aislamiento térmico. ¿Cuál debería ser el grosor de la nueva pared suponiendo que fuera de: a) Asbesto b) Acero 6- Recuerde la definición de radiación R, y de la ley de Stefan-Boltzman, y procure determinar la unidad de: a) de la radiación R b) de la constante σ 7- En su famosa obra 2001, Una Odisea en el Espacio, el autor, Arthur Clarke se refiere a un astronauta que “pasea” por el espacio sin ropa especial, sin hacer ninguna observación acerca de los daños que esta situación le causaría al astronauta. Para que usted tenga una idea de lo que ocurriría en esas condiciones, trate de contestar las siguientes preguntas: a) Considere para el astronauta un area de su cuerpo A= 1,5 m2 y que la temperatura de su piel es de 300°K y σ = 6 x 10-8W/m2.°K4. Calcule la radiación R del astronauta. b) Cuál sería la potencia térmica que el astronauta irradiaría? c) ¿Cuál sería el flujo de radiación térmica que el astronauta absorbería? (Estamos suponiendo que el astronauta, en el espacio, está muy alejado de cualquier otro cuerpo material.) 8- a) Imagine que la temperatura Kelvin de un cuerpo se volviera dos veces mayor. ¿Cuántas veces mayor se volvería la potencia térmica irradiada por ese cuerpo? b) Suponga que la temperatura de un cuerpo pasara de 27°C a 127°C. ¿Cuántas veces mayor se vovería la potencia térmica irradiada por él? 9- Se sabe que la radiación térmica del Sol, en un día claro, al llegar a la superficie terrestre, tiene una intensidad de 1.000 W/m2, admitiendo que cae perpendicularmente en la superficie sobre la cual incide.

Termodinámica y Máquinas Térmicas Prof. Faber ______________________________________________________________________ a) Suponga que un person cuya emisividad es de e= 0,7, esté acostada en una playa, con un área de 0,8 m2 de su piel expuesta perpendicularmente a los rayos solares (el Sol en el cenit). Determine en Kcal la cantidad de radiación térmica absorbida por la persona durante 5 min. Considere 1 cal=4,2 J. b) Resuelva la cuestión anterior, suponiendo que el sol tiene una elevación de 30° encima del horizonte, aproximadamente a las 8:00 a.m. 10- Una hoja, en un árbol, tiene una de sus caras con un área igual a 40 cm2 vuelta directamente hacia el Sol en un día claro. La masa de esa hoja es de 5 x 10-3Kg, su emisividad es 0,8 y su calor específico vale 0,8 kcal/kg.°C. Considere la intensidad de la radiación solar proporcionada en el ejercicio anterior y determine la elevación de la temperatura de la hoja después de una exposición de 10 s de duración (tom 1 cal = 4,2 J).

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Guía de Repaso 18: Máquinas Térmicas-Información Adicional 1- Un sistema sufre una transformación I, representada en la figura, al pasar de un estado inicial i a un estado final f. a)¿El trabajo Lif, realizado por el sistema en esta transformación podría calcularse usando la expresión Lif = pi⋅(V f −V i ) ? ¿Por qué? b) Calcule el valor de Lif 2- En el ejercicio anterior suponga que el sistema regresa de f a i siguiendo la transformación II ilustrada en la figura. a) Calcule el trabajo del sistema en esta transformación. b) ¿Cuál fue el trabajo L realizado por el sistema en el ciclo que recorrió? c) Indique en la figura el área que corresponde al trabajo L, en el ciclo. 3- Suponga que la gráfica referente al Ejercicio 1 representa el ciclo de una máquina térmica que retira de la fuente caliente una cantidad de calor Q1 = 8 x 104 J. Determine: a) El rendimiento de esta máquina b) La cantidad de calor que rechaza para la fuente fría. 4- Suponga que una persona le informa que cierta máquina térmica absorbe, en cada ciclo,una catidad de calor Q1 = 500 cal, realiza un trabajo L = 200 cal y transfiere a la fuente fría una cantidad de calor Q2 = 400 cal. a) La información proporcionada por esta persona, en realidad, no es correcta. ¿Por qué? b) La persona, al volver a realizar sus mediciones, verificó que había un error en la medida de la cantidad de calor Q2. ¿Cuál es, entonces, el valor correcto de Q2? 5- a) En el ejercicio anterior, considerando el valor correcto Q2, determine el rendimiento de dicha máquina térmica. b) Suponga que la máquina mencionada funcionará entre dos temperaturas constantes, de 27°C y 227°C. Esta máquina infringe el teorema de Carnot? Explique. c) Procure identificar el ciclo que esta máquina está describiendo. 6- Una máquina de Carnot presenta un rendimiento de 30% y la temperatura de su fuente caliente es de 400°K. La potencia de esta máquina es de 4,5 KW y efectúa 10 ciclos/s. a) Calcule la temperatura de la fuente fría de la máquina. b) ¿Cuál es el trabajo que la máquina realiza en cada ciclo? c) ¿Qué cantidades de calor Q1 y Q2, absorbe y rechaza la máquina? 7- Indique entre las opciones siguientes la que se refiere a una caracterísitica importante del ciclo de Carnot: a) Es el ciclo de la mayoría de las máquinas térmicas. b) Tiene un rendimiento del 100%. c) Tiene siempre un rendimiento cercano al 100%. d) Determina el máximo rendimiento de un máquina térmica, entre dos temperaturas dadas. 8- Uno de los motores térmicos de mayor rendimiento ya construído trabaja a temperaturas de 2.000°K (fuente caliente) y 700°K (fuente fría), y presenta un rendimiento de 40%. ¿Este rendimiento está cercano a valor máximo que podría alcanzar entre esas temperaturas?

Termodinámica y Máquinas Térmicas Prof. Faber ______________________________________________________________________ 9- Un refrigerador rechaza hacia el ambiente una cantidad de calor Q1 = 800 cal durante cierto intervalo. a) En ese intervalo, ¿la cantidad de calor Q2 que el aparato retira de su interior es mayor, menor o igual a 800 cal? b) Suponiendo que el refrigerador tiene una eficiencia e = 3, calcule el valor de Q2. 10- Tenga en cuenta las respuestas del ejercicio anterior y conteste la siguiente pregunta: una persona quería enfriar una sala en la cual había un refrigerador funcionando. Para esto, cerró puertas y ventanas y abrió la puerta del refrigerador. ¿Con este procedimiento la persona lacanzó su objetivo? Explique. 21- a) Suponga que la misma persona del ejercicio anterior coloca un refrigerador como se muestra en la figura (empotrado en una abertura hecha en la pared y el serpentín en el exterior de la sala). En este caso, ¿tendría éxito al intentar enfriar la sala? b) ¿Que aparato electrodoméstico funciona de manera semejante al refrigerador referido en la pregunta a)?