8/16/2019 Preguntas Capitulo 2 y 3

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Preguntas capitulo 2

1.  En la formulación general de la ley de Fourier (aplicable a cualquier geometría), cuales

son las cantidades vectoriales y escalares? Por qué existe el signo menos a la derechade la ecuación?

El flujo de calor es una cantidad vectorial.

La constante k es una cantidad escalar.

El gradiente de temperatura  es una cantidad escalar

El signo menos (-) se debe a que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura

decreciente.

2.  Que es una superficie isotérmica? Que puede decirse acerca del flujo de calor en

cualquier localización sobre esta superficie?

Es una superficie que tiene la T cte

Vector flujo de calor es normal a la superficie.

3.  qué forma toma la ley de Fourier para cada una de las direcciones ortogonales de

sistemas de coordenadas cartesianas, cilíndricas y esféricas? En cada caso, cuáles son

las unidades del gradiente de temperatura? Puedes escribir cada ecuación de

memoria?

Cartesianas

Cilíndricas

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Esféricas

En los tres casos el gradiente de temperatura esta dado en K/m

4.  Una importante propiedad de la materia es definida por la ley de Fourier. Cual es esta?

Cuál es su significado físico? Cuáles son las unidades?

La conductividad térmica K

Es la relación que existe entre el flujo de calor y el gradiente de temperatura.

 = −    

→  

5.  Que es un material isotrópico?

Es aquel cuyas propiedades físicas y térmicas son las mismas en todas direcciones.

6.  Por qué es la conductividad térmica de un sólido generalmente más grande que la de

un líquido?

Debido a que los espacios intermoleculares son mayores en los líquidos, así como elmovimiento de sus moléculas más aleatorio que para los sólidos.

7. 

Por qué es la conductividad térmica de un líquido más grande que la de un gas?

Existe mayor cantidad de espacios moleculares y el movimiento entre sus, moléculas

aun mas caótico que para los líquidos.

8. 

Por qué es la conductividad térmica de un sólido eléctricamente conductor

generalmente más grande que la de un no conductor? Por qué materiales como el

oxido de berilio, diamante y carbono de silicio excepciones de esta regla?

La conductividad térmica K se define como

Donde ke se debe a la migración de los electrones libres

Kl a las ondas vibracionales de la estructura cristalina

En materiales no conductores k está determinada principalmente por kl, que depende

de la frecuencia de las interacciones entre los átomos de la estructura cristalina.

Estos materiales son una excepción debido a la regularidad del arreglo de la estructura

cristalina, con lo que aumenta kl, lo suficiente para que el valor de k pueda llegar a ser

más alta que el de materiales conductores.

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9. 

Es la conductividad térmica efectiva de un sistema aislado una real manifestación de la

eficacia con la cual el calor es transferido a través de un sistema por simple

conducción?

10. Por qué la conductividad térmica de un gas aumenta con el incremento de la

temperatura?

El efecto de la temperatura en la k de un gas se debe a la teoría cinética de los gases.

Donde la

  velocidad molecular media aumenta con el incremento de T y la

conductividad térmica de un gas aumenta con el aumento de T pues serian

directamente proporcionales.

11. Por qué es ésta aproximadamente independiente de la presión?

Dado que    son directamente e inversamente proporcionales a la presión del gas,la conductividad térmica es independiente de la presión.

12. Cuál es el significado físico de la conductividad térmica? Como está definido? Y cuáles

son sus unidades?

Es la razón entre la conductividad térmica y la capacidad térmica.

 =  → 2  

Mide la capacidad del material para conducir energía térmica en relación con su

capacidad para almacenar energía térmica.

13. Cuál es el significado físico de cada término presente en la ecuación de calor?

El termino se relaciona con el flujo de calor neto por conducción en el

volumen de control en la dirección x

es la rapidez de transferencia de energía

por conducción en un volumen unitario

es la rapidez de generación volumétrica de energía térmica

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es la rapidez de cambio de la energía de la energía térmica almacenada

dentro del volumen

14. 

Cite algunos ejemplos de de generación de energía térmica. Si la velocidad a la cual la

energía térmica es generada por unidad de volumen, , varia con la localización en unmedio de volumen V, como puede la velocidad de generación de energía para el medio

entero,   ,ser determinada a partir del conocimiento de (, , ) 

    =  15. Para un medio químicamente reactante, qué clase de reacción proporciona una fuente

de energía térmica (  > 0)? Que clase de reacción proporciona un disipador deenergía térmica (  < 0)?

16. 

Para resolver la ecuación de calor para la distribución de temperatura en un medio,condiciones de borde podrían ser prescritas a las superficies de un medio. Qué

condiciones físicas son comúnmente adecuadas para este propósito?

PREGUNTAS CAPITULO 3

1. 

Bajo qué condiciones puede decirse que el flujo de calor es una constante, independiente de la

dirección del flujo de calor? Para cada una de estas condiciones, use consideraciones físicas

para convencerte que el flujo de calor podría no ser independiente de la dirección si las

condiciones no son satisfechas.Condiciones:

Unidireccional

Estado estable

Sin generación de calor

2.  Para condiciones unidimensionales, estado estable en una carcasa cilíndrica o esférica sin

generación de calor, es el flujo de calor radial independiente del radio? Es la velocidad de

transferencia de calor radial independiente del radio?

Cilindro

La velocidad de transferencia de calor no depende del radio.

El flujo de calor es:

" =   =

2 El flujo de calor si depende del radio r del cilindro.

Esfera

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La velocidad de transferencia de calor no depende del radio.

El flujo de calor es:

" =   =

42 El flujo de calor si depende del radio r de la esfera.

3.  Para condiciones unidimensional, estado estable y sin generación de calor, cual es la forma de

la distribución de temperatura en una pared plana? En una carcasa cilíndrica? En una carcasa

esférica?

Línea recta debida a que la ecuación de la distribución de temperaturas es lineal

Curva parabólica ya que en ambos casos la ecuación de la distribución de temperaturas es

cuadrática.

4. 

Que es la resistencia térmica? Como está definida? Cuáles son sus unidades?

Es la razón entre un potencial de transmisión y la transferencia de calor correspondiente.

 = ,1 − ,2   →  

5.  Para la conducción a través de una pared plana, puedes escribir de memoria la ecuación la

expresión para la resistencia térmica? De igual forma, puedes escribir la expresión de la

resistencia térmica asociada con la conducción a través de una carcasa cilíndrica y esférica?

Puedes expresar la resistencia térmica asociada con la convección de una superficie y el

intercambio de radiación neta entre la superficie y los alrededores?Pared plana

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  =  

  =1

ℎ 

  = 1ℎ  

Cilindro

  =ln(2 1   )

2  

  =1

2ℎ 

  =

1

2ℎ 

Esfera

  =1

4 1

1 − 1

2 

  =1

42ℎ 

  = 142ℎ  

6. 

Cuál es la base física para la existencia de un radio crítico de aislamiento? Como afectan a este

valor la conductividad térmica y el coeficiente de convección?

El radio critico permite conocer el espesor del aislamiento que minimice la pérdida de calor y

maximice la resistencia total de transferencia de calor.

  = ℎ La resistencia por conducción aumenta al agregar aislante, es decir al aumentar r.

La resistencia por convección disminuye al aumentar el área exterior.

K aumenta al aumentar r porque son directamente proporcionales y r disminuye con h pues

son inversamente proporcionales.

7. 

Como es la resistencia por conducción afectada por su conductividad térmica? Como es la

resistencia por convección afectada por su coeficiente de convección? Como es la resistencia

por radiación afectada por la emisividad de la superficie?

Dado que k es inversamente proporcional a , cuando k aumenta  disminuye yviceversa.

Dado que h es inversamente proporcional a , cuando h aumenta  disminuye yviceversa.

Dado que ℎ es directamente proporcional a  y que  es inversamente proporcional a ℎ entonces al aumentar  disminuye  

8. 

Si el calor es transferido desde una superficie por convección y radiación, como son las

resistencias térmicas correspondientes representadas en un circuito?

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9. 

Considere conducción en estado estable a través de una pared plana separando fluidos de

diferentes temperaturas ∞ , , ∞ ,  adyacentes a las superficies interna y externa,respectivamente. Si el coeficiente de convección de la superficie externa es 5 veces mayor que

el de la superficie interna ℎ  = 5ℎ , qué se puede decir acerca de la relativa proximidad de lascorrespondientes temperaturas de la superficie ∞ ,  y ∞ ,a las temperaturas de los fluidosadyacentes?

10. 

Puede la resistencia por conducción ser aplicada a un cilindro solido o esfera sólida?

Para que se dé la transferencia de calor por conducción se requiere la presencia de 2 radios esdecir que el cilindro o esfera deben ser huecos, así que para un sólido no puede darse.

11. 

Que es la resistencia por contacto? Como está definida? Cuáles son sus unidades para una

interfaz de un área dada? cuales son estas para una unidad de área?

Es la resistencia responsable de la caída de temperatura a lo largo de la interfaz entre

materiales, cuando se tiene un material compuesto.

,  =   − "   → 2

 

12. 

Como es la resistencia por contacto afectada por la rugosidad de las superficies adyacentes?

A mayor rugosidad, mayor irregularidad en las superficies y menor área de contacto, dado que

el área es directamente proporcional a la resistencia de contacto las rugosidades disminuyen la

Rt,c.

13. 

Si el aire en una región de contacto entre dos superficies es reemplazada por helio, cómo es

afectada la resistencia térmica por contacto? Como es afectada si la región es evacuada?

Dado que la k del helio es mayor que la del aire, la resistencia de contacto disminuye.

Si se elimina el fluido entre las superficies (interfaz al vacío), elimina la conducción a través del

hueco, con lo que la resistencia de contacto aumenta.

14. 

Cuál es el coeficiente de transferencia de calor global? Como está éste definido y como está

relacionado con la resistencia térmica total? Cuáles son sus unidades?

El coeficiente de transferencia global de transferencia de calor, U es el coeficiente de

transferencia total del de un sistema compuesto es decir representa a cada una de los

coeficientes unitarios de cada componente del sistema compuesto.

 = 1 ∗  →  2 ∙  

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