Taller sobre Fenomenos de Transporte

Curso Introducción a la Ingeniería Química, Universidad de AntioquiaProfesores Luis Alberto Rios - Biviana Llano.

1. Un flujo de calor de 3 kW se conduce a través de una sección de un material aislante de área de sección transversal 10 m2 y espesor 2.5 cm. Si la temperatura de la superficie interna (caliente) es de 415°C y la conductividad térmica del material es 0.2 W/m·K. ¿cuál es la temperatura de la superficie externa?

2. Se determina que el flujo de calor a través de una tabla de madera de 50 mm de espesor, cuyas temperaturas sobre las superficies interna y externa son 40 y 20°C, respectivamente, es 40 W/m2. ¿Cuál es la conductividad térmica de la madera?

3. Las temperaturas de las superficies interna y externa de una ventana de vidrio de 5 mm de espesor son 15 y 5°C. ¿Cuál es la pérdida de calor a través de una ventana que mide 1 ×3 m de lado? La conductividad térmica del vidrio es 1.4 W/m·K

4. El compartimiento de un congelador consiste en una cavidad cúbica que tiene 2 m de lado. Suponga que el fondo está perfectamente aislado. ¿Cuál es el espesor mínimo de aislante de espuma de poliuretano (k = 0.030 W/m·K) que debe aplicarse en las pare- des superior y laterales para asegurar una carga de calor de menos de 500 W, cuando las superficies interior y exterior están a -10 y 35°C?

5. ¿Cuál es el espesor que se requiere de una pared de mampostería que tiene una conductividad térmica de 0.75 W/m·K, si la velocidad del calor será 80% de la velocidad del calor a través de una pared de estructura compuesta que tiene una conductividad térmica de 0.25 W/m·K y un espesor de 100 mm? Ambas paredes están sujetas a la misma diferencia de temperatura superficial y tienen la misma area.

6. Un chip cuadrado de silicio (k = 150 W/m·K) tiene un ancho w = 5 mm de lado y espesor t = 1 mm. El chip se monta en un sustrato de modo que sus lados quedan aislados, mientras que la superficie superior se expone a un fluido refrigerante. Si se disipan 4 W de los circuitos montados en la superficie inferior del chip, ¿cuál es la diferencia de temperaturas de estado estable entre las superficies inferior y superior?

7. Usted ha experimentado el enfriamiento por convección si alguna vez sacó la mano por la ventana de un vehículo en movimiento o si la sumergió en una corriente de agua. Si la superficie de la mano se considera a una temperatura de 30°C, determine el flujo de calor por convección para (a) una velocidad del vehículo de 35 km/h en aire a -5°C con un coeficiente de convección de 40 W/m2·K y (b) una velocidad de 0.2 m/s en una corriente de agua a 10°C con un coeficiente de convección de 900 W/m2·K. ¿En cuál condición se sentiría más frío?

8. Un chip cuadrado isotérmico tiene un ancho w = 5 mm de lado y está montado en un sustrato de modo que sus superficies lateral e inferior estén bien aisladas, mientras que la superficie

frontal se expone a la corriente de un fluido refrigerante a T∞ = 15°C. A partir de consideraciones de confiabilidad, la temperatura del chip no debe exceder T = 85°C. Si el fluido refrigerante es aire y el coeficiente de convección correspondiente es h = 200 W/m2·K, ¿cuál es la potencia máxima admisible del chip? Si el fluido refrigerante es un líquido dieléctrico para el que h = 3000 W/m2·K, ¿cuál es la potencia máxima admisible?

9. El vidrio de una ventana se encuentra a 10° C y su área es 1.2 m2. Si la temperatura del aire exterior es 0° C, calcular la energía que se pierde por convección. Considerar h = 4 W/(m2K).

10. a) Si la temperatura promedio de la piel de algún alumno es 30° C, suponiendo una emisividad ε = 0.97, calcular la radiación que emite. b) Si la temperatura promedio de las paredes de la sala donde se encuentra es 15° C, calcular la radiación que emite, considerada como cuerpo negro.

11. Una dama se encuentra en bikini en un sauna cuyas paredes están a 85°C y tienen una emisividad igual a 1. Su piel se encuentra a 40° C y su emisividad es 0.8. a) ¿Cuánto calor irradia la dama al sauna? (Considere que el área de la piel expuesta de la dama es de 1.5 m 2) c) ¿Cuánto sudor debería evaporar por hora para que su temperatura se mantenga normal y estable? (Suponga que éste es el único mecanismo de pérdida energía y que no está produciendo energía por metabolismo). Considere que el calor latente de vaporización del sudor (λ), a 40°C es 2427 kJ/kg.

Nota: El calor latente de vaporización de un liquido (λ) es igual a la energía que se debe suministrar para evaporar un kilogramo del liquido. Qv = m λ, donde m es la masa de liquido evaporada y Qv es el calor requerido para evaporar dicha masa.

12. Por una tubería con un diámetro interior de 5 pulgadas, fluye agua a 90°F con un caudal (flujo volumétrico) de 20 gal/min. Determine si el flujo de agua es laminar o turbulento. (ayuda: Flujo volumétrico = velocidad del fluido x area transversal al flujo).