TRABAJO PRÁCTICO N° 3 Propagación del Calor

TRABAJO PRÁCTICO N° 3
Propagación del Calor
I – Preguntas de repaso:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
¿Cómo se propaga el calor? Explicar cada caso
¿Qué es la conductividad térmica?
¿De qué depende el calor por conducción?
¿Qué materiales son excelentes conductores del calor?
¿Qué papel desempeñan las moléculas en la conducción del calor?
¿Por qué son buenos aislantes los materiales como las pieles, las plumas y la nieve?
¿Cómo se propaga el calor en los fluidos?
¿Qué es la energía radiante?
¿De que depende la energía radiante?
¿Cómo varían las longitudes de onda de la energía radiante con la temperatura de la fuente de
radiación?
11) ¿Cómo influye el color en la radiación térmica?
12) Un buen absorbente de radiación, ¿es también un buen emisor, o un mal emisor?
II – Cuestiones:
1) La madera es mejor aislante que el vidrio. Sin embargo, es muy común el uso de lana de vidrio para
aislar construcciones de madera. ¿Por qué?
2) Si introduces una varilla metálica en un montón de nieve, el extremo que sostienes con la mano no
tarda en enfriarse. ¿Acaso fluye frío de la nieve hacia la mano?
3) Puedes mantener la mano dentro de un horno caliente durante varios segundos sin quemarte, pero no
tocarías el interior metálico ni por un segundo. ¿Por qué?
4) ¿Por qué se siente más frío al tacto un trozo de metal a temperatura ambiente que uno de papel, de
madera o de tela?
5) ¿Cuál es la causa por la que no hay propagación del calor por convección en el agua si se calienta
desde arriba el recipiente?
6) Decide cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera:
La convección tiene lugar:
a) sólo en líquidos
b) sólo en sólidos
c) sólo en gases
d) en sólidos y líquidos
e) en líquidos y gases
7) Las lámparas de escritorio o veladores tienen un orificio en la parte superior de la pantalla o tulipa. ¿Por
qué?
8) ¿Qué tipo de superficie actúa mejor para:
a) absorber radiación
b) emitir radiación
c) reflejar radiación
9) ¿Por qué se ven negras las pupilas de los ojos?
10) Explica la causa por la qué en los países cálidos las vestimentas son, por lo general blancas o claras.
11) Si un buen absorbente de energía radiante fuese un mal emisor, ¿cómo sería su temperatura en
comparación con la de su entorno?
12) La energía solar se compone de ondas cortas, pero la radiación terrestre está constituida por ondas
largas. ¿Por qué?
13) ¿Por qué se dice que el efecto invernadero es como una válvula de un solo sentido?
14) Para conseguir la máxima eficiencia, ¿de qué color conviene pintar un radiador: de negro o de
plateado?
15) ¿Cómo funciona un termo?
16) En algunos lugares donde nieva, se suele echar polvo de carbón sobre la nieve. Al salir el sol, la nieve
se funde rápidamente. ¿Por qué?
17) Si la composición de la atmósfera cambiase de tal manera que dejase escapar una mayor cantidad de
radiación terrestre, ¿qué efecto tendría esto en el clima de la Tierra? A la inversa, ¿cuál sería el efecto
si las capas superiores de la atmósfera dejasen escapar menos radiación terrestre?
III – Problemas:
1) Un disco de hierro de una cocina eléctrica tiene un radio de 10 cm y un espesor de 5 mm. La
temperatura de la superficie interior es de 120 ºC y la de la exterior de 110 ºC. ¿Qué cantidad de calor
es conducida a través de él en cada minuto?
2) ¿Cuánto tardará el disco anterior en suministrar la cantidad de calor necesaria para hacer hervir 1 litro
de agua que estaba a 10 ºC?
3) Una casa tiene paredes de 25 cm de espesor, con una superficie de 300 m 2, construidas con un
material cuyo coeficiente de conductividad es de 0,01 cal / (cm ºC. s). ¿Qué cantidad de calor por
minuto debe producir un sistema de calefacción para mantener constantemente una diferencia de 10 ºC
con la temperatura exterior?
4) El fondo de una olla de aluminio tiene un espesor de 1,5 mm y una superficie de 2000 cm 2. Si la
superficie superior se mantiene a 60 ºC y la inferior, en contacto con la llama del gas, se conserva a 120
ºC, calcular la cantidad de calor que la atravesará al cabo de un minuto y medio.
5) Una plancha de aluminio de 2 mm de espesor tiene una superficie de 10 cm 2. Si es atravesada por 75
cal /seg. y la temperatura de la superficie más caliente es de 100 ºC, calcular la temperatura de la
superficie más fría.
6) Calcular la energía que irradia una esfera de plomo de 10 cm de diámetro recubierta con negro de humo
y cuya temperatura se mantiene a 227 ºC.
7) Un disco metálico pintado de negro (aproximadamente, cuerpo negro) tiene un radio de 10 cm y está a
una temperatura de 100 ºC, a) ¿Qué cantidad de calor irradia en cada segundo? b)¿Cuánto irradiará
en igual tiempo, si está a 300 ºC?
8) Frente a frente están colocados dos discos de cinc (e Zn = 0,35), separados por una distancia de 1 cm;
entre ellos hay aire. Uno está a 20 ºC y el otro a 27 ºC. ¿Qué cantidad de calor recibe por segundo cada
cm2 del disco más frío por radiación, y cuánta por conducción?
(Para los siguientes problemas considerar al sol y la tierra como cuerpos que emiten de acuerdo a las leyes
de la radiación de Planck, Wien y Stefan, y tomar como para la superficie solar una temperatura de 6000 ºK
y para la superficie terrestre una temperatura promedio de 288 ºK)
9) Determinar el valor de la longitud de onda en la cual se produce la máxima radiación, para la tierra y
para el sol. Comparar esos valores con las longitudes de onda visibles.
10) Determinar para la tierra (R t = 6,37 x 106 m) y para el sol (R s = 7 x 108 m), la cantidad de energía o
calor por unidad de tiempo que irradian. Suponer para ambos una emisividad = 1
11) Se define como constante solar a la cantidad de energía solar que llega a una superficie (terrestre)
perpendicular a los rayos del sol y es de 2 cal / cm 2. min. a) expresar este valor en W / m 2. b) calcular
la cantidad total de energía por unidad de tiempo que recibe la tierra, como radiación del sol,
suponiendo absorción del 100%
12) Una persona desnuda con su piel a 33 ºC, tiene una emisividad e = 1 y una superficie de radiación A =
1,5 m2. ¿Qué cantidad de calor emite por radiación?
13) ¿Cuál debe ser la temperatura de un cuerpo, para que la máxima radiación corresponda a una longitud
de onda  máx. = 2 x 10-6 m?
14) A la temperatura calculada, y suponiendo una emisividad e = 1, ¿cuál es la cantidad de calor por unidad
de tiempo que emite el cuerpo en forma de radiación electromagnética?
Fórmulas y constantes:
Calor por conducción: Q = k . A . T . t
e
Calor por radiación: E =  . e . A .T4 (ley de Stefan)
Ley de Wien:
 máx. . T = 2,89 x 10-3 m ºK
Constante de Stefan :  = 1,35 x 10-12 cal / cm2. ºK4. seg ó 5,67 x 10-8 J / m2 ºK4 seg
Respuestas a los problemas
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Q = 61.449,55 cal
t = 87,87 seg
Q = 720 kcal
Q = 3,6 x 107 cal
T = 96,9 ºC
E = 25,7 cal /seg.
a) Q = 8,2 cal/s b) Q = 45,8 cal/s
Qr = 3,83 x 10 –3 cal // Qc = 4 x 10 –3 cal
9)  máx. sol = 4,81 x 10-7 m //  máx. tierra = 1 x
10-5 m
10) E sol = 1,077 x 1026 cal / seg. // E tierra =
4,73 x 1016 cal /seg.
11) a) 1395,33 W /m2 b) 3,55 x 1017 W
12) Q = 177 cal/ seg.
13) T = 1445 ºK
14) Q = 29428 cal /seg.