Pregunta: 6 Al analizar el rendimiento de un sistema térmico, el ingeniero debe ser capaz de identificar los procesos de transferencia de calor relevantes. Solo entonces se puede cuantificar adecuadamente el comportamiento del sistema. Para los siguientes sistemas, identifique los procesos pertinentes, designándolos con flechas debidamente rotuladas en un esquema del

6 Al analizar el rendimiento de un sistema térmico, el ingeniero debe ser capaz de identificar los procesos de transferencia de calor relevantes. Solo entonces se puede cuantificar adecuadamente el comportamiento del sistema. Para los siguientes sistemas, identifique los procesos pertinentes, designándolos con flechas debidamente rotuladas en un esquema del sistema. Responda las preguntas adicionales que aparecen en el enunciado del problema. (a) Identifique los procesos de transferencia de calor que determinan la temperatura de un pavimento de asfalto en un día de verano. Escriba un balance de energía para la superficie del pavimento. GS Cubierta de vidrio Espacio de aire Placa absorbente Tubería de agua Problemas de aislamiento 63 CH001.qxd 2/24/11 12:03 PM Page 63 (b) Se sabe que la radiación de microondas es transmitida por plásticos, vidrio y cerámica, pero que es absorbida por materiales que tienen moléculas polares como el agua. Las moléculas de agua expuestas a la radiación de microondas se alinean e invierten la alineación con la radiación de microondas a frecuencias de hasta 109 s 1 , lo que genera calor. Compare la cocción en un horno de microondas con la cocción en un horno convencional radiante o de convección. En cada caso, ¿cuál es el mecanismo físico responsable de calentar el alimento? ¿Qué horno tiene la mayor eficiencia de utilización de energía? ¿Por qué? Se está considerando el calentamiento por microondas para secar la ropa. ¿En qué se diferenciaría el funcionamiento de una secadora de ropa de microondas de una secadora convencional? ¿Cuál es probable que tenga la mayor eficiencia de utilización de la energía? ¿Por qué? (c) Para evitar la congelación del agua líquida dentro de la celda de combustible de un automóvil, el agua se drena a un tanque de almacenamiento a bordo cuando el automóvil no está en uso. (El agua se transfiere del tanque nuevamente a la celda de combustible cuando se enciende el automóvil). Considere un automóvil impulsado por celda de combustible que está estacionado afuera en una tarde muy fría con T 20 C. El tanque de almacenamiento está inicialmente vacío en Ti ,t 20 C, cuando se introduce en el tanque agua líquida, a presión atmosférica y temperatura Ti,w 50 C. El tanque tiene un espesor de pared tt y está cubierto con un aislamiento de latas de espesor. Identificar los procesos de transferencia de calor que promoverán la congelación del agua. ¿Cambiará la probabilidad de congelamiento a medida que se modifique el espesor del aislamiento? ¿Dependerá la probabilidad de congelación del grosor y el material de la pared del tanque? ¿Sería más probable que se congelara el agua si se usara tubería de plástico (baja conductividad térmica) o de acero inoxidable (moderada conductividad térmica) para transferir el agua hacia y desde el tanque? ¿Existe una forma óptima del tanque que minimice la probabilidad de que el agua se congele? ¿Sería más probable o menos probable que ocurra congelamiento si se aplica una lámina delgada de papel de aluminio (alta conductividad térmica, baja emisividad) al exterior del aislamiento? Tubería de transferencia de agua A la celda de combustible tt latas h, T∞ Tsur (d) Su abuela está preocupada por reducir sus facturas de calefacción durante el invierno. Su estrategia es colocar láminas de aislamiento de poliestireno rígido sin apretar sobre sus ventanas de doble panel justo después de que lleguen las primeras heladas en otoño. Identifique los procesos de transferencia de calor relevantes en una noche fría de invierno cuando la lámina aislante de espuma se coloca (i) en la superficie interior y (ii) en la superficie exterior de su ventana. Para evitar daños por condensación, ¿qué configuración se prefiere? La condensación en el cristal de la ventana no ocurre cuando el aislamiento de espuma no está en su lugar. (e) Existe un interés considerable en el desarrollo de materiales de construcción con cualidades aislantes mejoradas. El desarrollo de dichos materiales ayudaría mucho a mejorar la conservación de energía al reducir los requisitos de calefacción de espacios. Se ha sugerido que se podrían obtener cualidades estructurales y aislantes superiores utilizando el material compuesto que se muestra. El material consiste en un panal de abejas, con celdas de sección transversal cuadrada, intercaladas entre losas macizas. Las celdas están llenas de aire y las losas, así como la matriz alveolar, están fabricadas con plásticos de baja conductividad térmica. Para la transferencia de calor normal a las losas, identifique todos los procesos de transferencia de calor pertinentes al desempeño del material compuesto. Sugiera maneras en las que se podría mejorar este desempeño. Aislamiento en la superficie exterior Aire frío y seco de la noche Panel exterior Entrehierro Panel interior Aislamiento Aire cálido y húmedo de la habitación Aislamiento en la superficie interior Aire frío y seco de la noche Panel exterior Entrehierro Panel interior Aislamiento Aire cálido y húmedo de la habitación 64 Capítulo 1 Introducción CH001.qxd 2 /24/11 12:03 PM Page 64 (f) Se usa una unión de termopar (perla) para medir la temperatura de una corriente de gas caliente que fluye a través de un canal insertando la unión en la corriente principal del gas. La superficie del canal se enfría de manera que su temperatura está muy por debajo de la del gas. Identificar los procesos de transferencia de calor asociados con la superficie de unión. ¿La unión detectará una temperatura menor, igual o mayor que la temperatura del gas? Un escudo de radiación es un pequeño tubo abierto que encierra la unión del termopar, pero permite el paso del gas a través del tubo. ¿Cómo mejora el uso de dicho escudo la precisión de la medición de temperatura? Losas de superficie Espacios de aire celulares (h) Se utiliza una unión de termopar para medir la temperatura de un material sólido. La unión se inserta en un pequeño orificio circular y se mantiene en su lugar con epoxi. Identificar los procesos de transferencia de calor asociados con la unión. ¿La unión detectará una temperatura menor, igual o mayor que la temperatura del sólido? ¿Cómo afectará la conductividad térmica del epoxi a la temperatura de unión?