folleto calor

[UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS] TECNOLOGÍA DE MATERIALES

1 Ing. Jean Edison Palma Vañez

CAPITULO IV

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor (Q) es una forma de energía que aparece como un flujo que se transmite entre dos

puntos que se encuentran a diferente temperatura. Así, la transmisión de calor estudia las

temperaturas y los flujos de calor en los procesos de transferencia térmica.

Esta transmisión de energía se produce desde las regiones de alta temperatura a las de baja

por medio de alguno de los mecanismos conocidos: conducción, convección o radiación.

1. LA CONDUCCIÓN: Se produce a través de la masa de los cuerpos, con lo que se caracteriza por

medio de una característica del material conocida como conductividad

térmica. Los átomos están juntos en el estado sólido, y aunque no pueden

moverse de un lado a otro, tienen movimiento vibracional que,

dependiendo de su magnitud, puede producir choques entre ellos. Es por

estos choques por los que hay transferencia de energía de los átomos

superiores energéticamente hacia los que tienen menos. De ahí que,

cuando se habla de conducción, se habla de transferencia de energía en

cuerpos sólidos. En un líquido es un tanto despreciable, y más bien la

transferencia se rige por otros mecanismos. En los gases, definitivamente

no se la considera. Se entiende, entonces, la diferencia entre los tres

mecanismos de transferencia de calor: el sistema sobre el que actúan.

Al inicio: 𝑇1 ≫ 𝑇2 (Transferencia de Calor)

Luego de un cierto tiempo: 𝑇1 > 𝑇2 (Transferencia de Calor)

Y cuando al fin se ha llegado al equilibrio: 𝑇1 = 𝑇2 (Equilibrio)

Para poder calcular la cantidad de energía que se transfiere de un lugar a otro se aplica, en el

caso de la conducción, la Ley de Fourier, que será explicada a continuación mediante un

ejemplo, en el que se tiene la transferencia unidimensional de conducción de calor en una

pared plana.



La dirección de la transferencia de calor es función de la variación de las temperaturas,

aunque siempre será perpendicular al área de transferencia, es decir, el calor es perpendicular

a las isotermas. Al decir unidimensional, significa que dicha transferencia sigue una única

dirección. Si se toma un volumen infinitesimal de la pared plana que se está analizando, se podrá

calcular la cantidad de energía que se transfiere de un lugar a otro.

Por otro lado, mediante experimentaciones se ha

logrado determinar que el flujo calórico es

directamente proporcional a la variación de

temperaturas e inversamente proporcional al

espesor del cuerpo:

Donde 𝑘 es la constante de conductividad térmica. Ésta es función de los materiales que participan en la conducción y, en algunos casos, de la temperatura.

Por tanto, las condiciones que se aplicarán son: Transferencia de calor unidireccional

Conductividad térmica constante

Área de transferencia constante

Estado Estacionario: Δ𝑇 ≠ 𝑓 𝑡

No hay generación ni consumo de energía: 𝑄𝑣 = 0

No hay acumulación de energía: 𝑄 𝑥 = 𝑄 𝑥+𝛥𝑥



2. LA CONVECCIÓN: Se produce en el contacto de un sólido y un fluido, debiéndose a la

existencia de dos mecanismos de transmisión, la conducción

y la advención. La conducción se debe al contacto entre

partículas, mientras que la advención, es la transmisión de

calor debida al movimiento de las partículas del fluido. Este

movimiento puede ser provocado tanto por la diferencia de

densidades que produce un gradiente de temperatura

(convección natural), y que provoca que el aire caliente suba

y el frío baje, como al debido a un accionamiento mecánico

(convección forzada), como con un ventilador. La

convención es la transferencia de energía en la que, además

de movimientos atómicos y moleculares, se genera por la formación de corrientes convectivas

dadas por la diferencia de densidades microscópica o macroscópicamente. Una diferencia de

temperaturas implica una diferencia de densidades, diferencias que a su vez generan

corrientes convectivas. Así, se notará que este mecanismo de transferencia de calor también

se produce a causa de una variación en la

temperatura.

En el caso de los fluidos, se habla de una capa

límite. Capa límite es la capa que se forma

entre el sólido (contenedor o recipiente) y el

líquido (fluido). Constituye una interferencia

en la transferencia de calor, y va de la

temperatura caliente (Tc) a la temperatura

ambiente (T∞), ya sea que la temperatura

caliente es mayor a la temperatura ambiente

o viceversa. El flujo calórico, por su parte,

siempre va de la temperatura caliente a la

temperatura fría (Tf).

Así, R es igual a la expresión 𝐿/𝑘 para la conducción unidimensional en una pared plana.



Existen dos tipos de convección: la convección natural y la convección forzada. En la

convección natural, la transferencia de energía se da por la variación de densidades que hay

en el fluido debido a la diferencia de temperaturas en distintos puntos. Convección forzada, en

cambio, es aquella que resulta de la presencia de dispositivos (agitadores, vientos

atmosféricos, bombas, ventiladores, dispersores, etc.) que ayudan a que se lleve a cabo la

convección.

Este mecanismo de trasferencia de energía también obedece a la ley

general de flujo, aunque en lugar de utilizarse la Ley de Fourier se emplea

la Ley de Newton.

Para la aplicación de la ley de Newton es necesario entender un término muy importante: coeficiente de transferencia de calor (hc), cuyo valor depende de las características y propiedades del fluido, sobre del tipo de fluido con el que se está trabajando, y de la geometría del sistema.

3. LA RADIACIÓN: Se produce por la emisión de radiación electromagnética que experimenta

todo cuerpo por encontrarse a una temperatura determinada. Y depende de una característica

del material conocida como emisividad y de una característica geométrica definida por el

problema y conocida como factor de forma.

A presiones bajas, casi al vacío, no se

habla de conducción sino más bien de

radiación que se da por medio de ondas

electromagnéticas. Este mecanismo de

transferencia de energía se genera debido a

ondas electromagnéticas, ya sea que exista

o no un fluido en su medio. Todos los

cuerpos sobre el 0 absoluto, emiten esta

clase de energía de radiación. Sin embargo,

el valor del flujo calórico en este

mecanismo de transferencia de energía es

apreciable a temperaturas mayores a

300℃, y 400℃ para el vapor de agua y el dióxido de carbono. Dentro de un circuito térmico, la

transferencia de calor por radiación se considera normalmente para fluidos como el agua o el

aire más que para sólidos, ya que los fluidos actúan como sustancias blancas mientras que

radiación a través de un sólido no es común.



Ecuaciones de Transferencia de Calor

CONDUCCIÓN (coordenadas planas)

Pared Plana:

Pared Plana en Serie:

Pared Plana en Paralelo:

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝐿𝑘 . 𝐴

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝑅1

𝑅1 =𝐿

𝑘 . 𝐴

Recuerda Si: Tf – Tc ó T1 – T2: se considera el signo menos (–) en la ecuación. donde: Tf: temperatura fría Tc: Temperatura calienta

T1

T2 Q

A

∆𝐿

Q

𝑘

∆𝐿1 ∆𝐿2 ∆𝐿3

𝑘1

T2 Q

A

Q

𝑘2 𝑘3

T1 T3 T4

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝐿1𝑘1 . 𝐴

=𝑇3 − 𝑇2

𝐿2𝑘2 . 𝐴

=𝑇4 − 𝑇3

𝐿3𝑘1 . 𝐴

𝑄 =𝑇4 − 𝑇1

𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3

𝑅1 =𝐿1

𝑘1 .𝐴 𝑅2 =

𝐿2

𝑘2.𝐴 𝑅3 =

𝐿3

𝑘3.𝐴

QT

Muro (1)

Muro (2)

𝑘1

𝑘2

A1

A2

∆𝐿

𝑄𝑇 = 𝑄1 + 𝑄2 =𝑇2 − 𝑇1

𝐿1𝑘1 . 𝐴1

+𝑇2 − 𝑇1

𝐿2𝑘2 . 𝐴2

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝑅1𝑅2𝑅1 + 𝑅2

𝑅1 =𝐿1

𝑘1 .𝐴1 𝑅2 =

𝐿2

𝑘2.𝐴2

𝑄1

𝑄2

T1 T2



Pared plana compuesta

CONVECCIÓN - CONDUCCIÓN – CONVECCIÓN (coordenadas planas)

Pared Plana:

Pared Plana en Serie:

𝑘1 𝑘2

𝑘3

𝑘4

∆𝐿1 ∆𝐿2 ∆𝐿4

T1 T2

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝑅1 +𝑅2𝑅3

𝑅2 + 𝑅3+ 𝑅4

𝑅1 =𝐿1

𝑘1 .𝐴1 𝑅2 =

𝐿2

𝑘2.𝐴2 𝑅3 =

𝐿3

𝑘3.𝐴3 𝑅4 =

𝐿4

𝑘4.𝐴4

∆𝐿3

𝑄 =𝑇∞2 − 𝑇∞1

1ℎ1. 𝐴

+𝐿

𝑘 . 𝐴+

1ℎ2. 𝐴

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3

𝑅1 =1

ℎ1.𝐴 𝑅2 =

𝐿

𝑘 .𝐴 𝑅3 =

1

ℎ1.𝐴

𝑄 =𝑇1 − 𝑇∞1

1ℎ1. 𝐴

=𝑇2 − 𝑇1

𝐿1𝑘1 . 𝐴

=𝑇3 − 𝑇2

𝐿2𝑘2 . 𝐴

=𝑇4 − 𝑇3

𝐿3𝑘1 . 𝐴

=𝑇∞2 − 𝑇4

1ℎ1. 𝐴

𝑄 =𝑇∞2 − 𝑇∞1

𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 + 𝑅5

𝑅1 =1

ℎ1.𝐴 𝑅2 =

𝐿1

𝑘1 .𝐴 𝑅3 =

𝐿2

𝑘2.𝐴 𝑅4 =

𝐿3

𝑘3.𝐴 𝑅5 =

1

ℎ2.𝐴

𝑘

𝑘

T3

T3

Q

Q

A

A

∆𝐿

∆𝐿

Q

Q

T2 𝑇∞1

𝑇∞1 𝑇∞2

𝑇∞1

𝑇∞2

∆𝐿1

∆𝐿1

∆𝐿2

∆𝐿2

∆𝐿3

∆𝐿3

𝑘1

𝑘1

T2

T2

Q

A

A

Q

𝑘2

𝑘2

𝑘3

𝑘3

T1

T1

T3

T3

T4

T4

ℎ1

ℎ2

k

ℎ2

ℎ1



Pared Plana en paralelo:

Pared plana compuesta

CONDUCCIÓN (coordenadas cilíndricas)

QT

Muro (1)

Muro (2)

𝑘1

𝑘2

A1

A2

∆𝐿

𝑄 =𝑇∞2 − 𝑇∞1

𝑅1 +𝑅2𝑅3

𝑅2 + 𝑅3+ 𝑅4

𝑅1 =1

ℎ1.𝐴 𝑅2 =

𝐿1

𝑘1 .𝐴1 𝑅3 =

𝐿2

𝑘2.𝐴2 𝑅4 =

1

ℎ2.𝐴

𝑄1

𝑄2

T1

T2

𝑘1 𝑘2

𝑘3

𝑘4

∆𝐿1 ∆𝐿2 ∆𝐿4

𝑄 =𝑇∞2 − 𝑇∞1

𝑅1 + 𝑅2 +𝑅3𝑅4

𝑅3 + 𝑅4+ 𝑅5 + 𝑅6

𝑅1 =1

ℎ1.𝐴 𝑅2 =

𝐿1

𝑘1 .𝐴1 𝑅3 =

𝐿2

𝑘2.𝐴2 𝑅4 =

𝐿3

𝑘3.𝐴3

𝑅5 =𝐿3

𝑘3.𝐴4 𝑅6 =

1

ℎ2.𝐴

∆𝐿3

𝑇∞1

𝑇∞2 ℎ2

ℎ1

𝑇∞1

𝑇∞2 ℎ2

ℎ1

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝐿𝑛 (𝑟2𝑟1

)

2. 𝜋. 𝐿. 𝑘

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝑅1

𝑅1 =𝐿𝑛 (

𝑟2𝑟1

)

2. 𝜋. 𝐿. 𝑘



CONVECCIÓN – CONDUCCIÓN – CONVECCIÓN (coordenadas cilíndricas)

CAPAS MÚLTIPLES (coordenadas cilíndricas)

A continuación se muestra la tabla conteniendo las conductividades térmicas de los diferentes

materiales que se usan en la construcción

𝑇∞1

𝑇∞2

ℎ1

ℎ2

𝑄 =𝑇∞2 − 𝑇∞1

12. 𝜋. 𝑟1. 𝐿. ℎ1

+𝐿𝑛 (

𝑟2𝑟1

)

2. 𝜋. 𝐿. 𝑘+

12. 𝜋. 𝑟2. 𝐿. ℎ2

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3

𝑅1 =1

2.𝜋.𝑟1.𝐿.ℎ1 𝑅2 =

𝐿𝑛(𝑟2𝑟1

)

2.𝜋.𝐿.𝑘 𝑅3 =

1

2.𝜋.𝑟2.𝐿.ℎ2

𝑄 =𝑇∞2 − 𝑇∞1

12. 𝜋. 𝑟1. 𝐿. ℎ1

+𝐿𝑛 (

𝑟2𝑟1

)

2. 𝜋. 𝐿. 𝑘1+


)

2. 𝜋. 𝐿. 𝑘2+


)

2. 𝜋. 𝐿. 𝑘3+

12. 𝜋. 𝑟4. 𝐿. ℎ2

𝑄 =𝑇2 − 𝑇1

𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 + 𝑅5

𝑅1 =1

2.𝜋.𝑟1.𝐿.ℎ1 𝑅2 =

𝐿𝑛(𝑟2𝑟1

)

2.𝜋.𝐿.𝑘1 𝑅3=

𝐿𝑛(𝑟3𝑟2

)

2.𝜋.𝐿.𝑘2

𝑅4 =𝐿𝑛(

𝑟4𝑟3

)

2.𝜋.𝐿.𝑘3 𝑅5 =

1

2.𝜋.𝑟4.𝐿.ℎ2



Material Densidad (kg/m3)

Conductividad térmica(W/(m.K))



Acero 7850 47-58 Goma esponjosa 224 0,055 Agua 1000 0,58 Granito 2750 3 Aire 1,2 0,026 Hierro 7870 72

Alpaca 8,72 29,1 Hormigón 2200 1,4 Aluminio 2700 209-232 Hormigón de

cascote 1600-1800 0,75-0,93

Amianto 383-400 0,078-0,113 Láminas de fibra de madera

200 0,047

Arcilla refractaria

2000 0,46 Ladrillo al cromo

3000 2,32

Arena húmeda 1640 1,13 Ladrillo común 1800 0,8 Arena seca 1400 0,33-0,58 Ladrillo de

circonio 3600 2,44

Asfalto 2120 0,74-0,76 Ladrillo de magnesita

2000 2,68

Baldosas cerámicas

1750 0,81 Ladrillo de mampostería

1700 0,658

Baquelita 1270 0,233 Ladrillo de sílice 1900 1,070 Bitumen asfáltico

1000 0,198 Lana de vidrio 100-200 0,036-0,040

Bloques cerámicos

730 0,37 Latón 8550 81-116

Bronce 8000 116-186 Linóleo 535 0,081 Carbón

(antracita) 1370 0,238 Litio 530 301,2

Cartón - 0,14-0,35 Madera 840 0,13 Cemento

(duro) - 1,047 Madera de

abedul 650 0,142

Cinc 7140 106-140 Madera de alerce

650 0,116

Cobre 8900 372-385 Madera de arce 750 0,349 Corcho

(expandido) 120 0,036 Madera de

chopo 650 0,152

Corcho (tableros)

120 0,042 Madera de fresno

750 0,349

Espuma de poliuretano

40 0,029 Madera de haya 800 0,143

Espuma de vidrio

100 0,047 Madera de haya blanca

700 0,143

Estaño 7400 64 Madera de pino 650 0,163 Fibra de vidrio 220 0,035 Madera de pino

blanco 550 0,116

Fundición 7500 55,8 Madera de roble 850 0,209 Glicerina 1270 0,29 Mármol 2400 2,09

Goma dura 1150 0,163 Mica 2900 0,523 Mortero de cal y

cemento 1900 0,7



PROBLEMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

1. Considere una pared gruesa de 3m de alto, 5 m de ancho y 0.3 m de espesor, cuya

conductividad térmica es k = 0.9 W/m.ºC. Cierto día se miden las temperaturas de las

superficies interior y exterior de esa pared y resultan ser de 16ºC y 2ºC, respectivamente.

Determine la razón de la perdida de calor a través de la pared en ese día.

2. Se determina que el flujo de calor a través de una tabla de madera de 50 mm de espesor es

de 40 W/m2 cuyas temperaturas sobre la superficie interna y externa son 40 y 20ºC

respectivamente ¿Cuál es la conductividad térmica de la madera?

3. Una habitación a la temperatura de 19ºC está separada del exterior a 4ºC

por un muro de 15 cm de espesor, 2.5x3.5 m2 de área, y k = 1 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑚.𝐾.ℎ

a) ¿Qué potencia en kW atraviesa el muro?

b) ¿Cuál debe ser el espesor de una capa aislante de conductividad k =

0,035 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑚.𝐾.ℎ para reducir el flujo en un factor de 5?

c) Comente su respuesta

4. Considere una pared de ladrillos de 3 m x 6 m y 0.3 m de espesor, cuya conductividad

térmica es k = 0.8 W/m.ºC. En cierto día se miden las temperaturas de las superficies

interior y exterior de esa pared y resultan ser de 14ºC y 2ºC, respectivamente. Determine

la razón de la perdida de calor a través de la pared en ese día.

5. Dos ambientes A y B de grandes dimensiones están separadas por una pared de ladrillo

k=1.2 W/m.ºC de 12 cm de espesor la temperatura externa del ladrillo en el ambiente B es

de 120ºC y la temperatura del aire y sus alrededores del mismo ambiente es de 30ºC la

transferencia de calor por convección libre del ambiente B es de 20 W/m2 ºC, encontrar la

temperatura de la superficie interna del ladrillo en el ambiente A.





Mortero de cemento

2100 1,4 Plomo 11340 35

Mortero de vermiculita

300-650 0,14-0,26 Poliestireno 1050 0,157

Mortero de yeso

1000 0,76 Porcelana 2350 0,81

Mortero para revoques

1800-2000 1,16 Serrín 215 0,071

Níquel 8800 52,3 Tierra de diatomeas

466 0,126

Oro 19330 308,2 Tejas cerámicas 1650 0,76 Pizarra 2650 0,42 Vermiculita

expandida 100 0,07

Placas de yeso 600-1200 0,29-0,58 Vermiculita suelta

150 0,08

Plata 10500 418 Vidrio 2700 0,81 Plexiglás 1180 0,195 Yeso 1800 0,81



6. Un carpintero construye una pared. Hacia el exterior coloca una lámina de madera

(k=0.08 W/m. K) de 2 cm de espesor y hacia el interior una capa de espuma aislante

(k=0.01 W/mK) de 3,5 cm de espesor. La temperatura de la superficie interior es de 19ºC,

y la exterior es –10 ºC. Calcular: a) la temperatura en la unión entre la madera y la

espuma, b) la razón de flujo de calor por m2 a través de esta pared.

7. Uno de los sellados verticales de separación con el exterior de cierto edificio posee la

siguiente composición:

Composición Densidad (kg/ m3)

espesor (mm)

K (W/(m.ºC)

Guarnecido y enlucido interior de yeso 20 0.30 Tabique de ladrillo hueco formato métrico 90 0.49 Panel rígido de polietileno expandido 15 50 0.039 Raseo de cemento hidrófugo 15 1.40 Muro de un pie de ladrillo perforado cara vista 240 0.76

8. La temperatura interior de diseño es de 19ºC y la temperatura exterior de -3.4ºC siendo

los coeficientes de transmisión superficial exterior e interior de 9.1 y 6.9 W/(m2ºC)

respectivamente. Determinar la distribución de temperaturas y las pérdidas de calor por

unidad de superficie.

9. Calcular la cantidad de calor que se transmite a través de una ventana de 2 m2 de

superficie y espesor 0,5 cm. Temperatura interior de la casa 20 ºC, la temperatura exterior

(medio ambiente) es de 5 °C, los coeficientes de transferencia de calor por convección

para el interior y exterior de la casa son: h=9 W/m2.ºC y h=15 W/m2.ºC respectivamente.

(conductividad del vidrio: k = 0.2 W/ m. °C)

10. Considere una ventana de vidrio de 0.8m de alto y 1.5m de ancho, con un espesor de 8 mm

y una conductividad térmica de k = 0.78 W/m.ºC. Determine la razón de calor a través de

esta ventana de vidrio y la temperatura de su superficie interior para un día durante el

cual el cuarto se mantiene a 20ºC, en tanto que la temperatura del exterior es de -10ºC.

Tome los coeficientes de transferencia de calor por convección de la parte interior y

exterior del cuarto como h=10 W/m2. ºC y h=40 W/m2. ºC.

11. Considere una ventana de hoja doble de 0.8m de alto y 1.5m de ancho que consta de dos

capas de vidrio de 4 mm de espesor (k = 0.78 W/m. ºC) separadas por un espacio de aire

estancado de 10 mm de ancho (k = 0.026 W/m. ºC). Determine la razón de transferencia

de calor a través de la ventana de hoja doble y la temperatura en la superficie interior para

un día durante el cual el cuarto se mantiene a 20ºC, en tanto que la temperatura del

exterior es de -10ºC. Tome los coeficientes de transferencia de calor por convección de la

parte interior y exterior del cuarto como h=10 W/m2. ºC y h=40 W/m2. ºC.

12. Considérese un muro compuesto por dos capas cuyas características son las siguientes:

□ Capa 1: espesor 0.4 m, conductividad: k1 = 0.9(1 + 0.006 T) [W /m·K]

□ Capa 2: espesor 0.05 m, conductividad: k2 = 0.04 W /m·K



Y sometido a un flujo solar en la cara exterior de 300 W/m², esta cara se encuentra en

contacto con aire a 40°C (Coeficiente convectivo exterior 10 W/m²K). La cara interior se

encuentra en contacto con aire a 20°C (Coeficiente convectivo interior 5 W/m²K).Calcular:

a) Flujo de calor por unidad de área que atraviesa el muro.

b) Temperatura en las dos superficies extremas y en la interfase entre las doscapas

13. El vidrio de una ventana tiene un espesor de 8 mm área de 1,5 m2. Si

la temperatura en el interior de la casa es de 22ºC y en el exterior

de 6ºC, se pide:

a) Determinar es el flujo de calor perdido a través del vidrio

b) Si se sustituye esta ventana por otra de doble vidrio de 4 mm y

una cámara de aire entre ellas de 6mm (5 W/m²K) ¿Cuál es el nuevo

flujo de calor y el ahorro energético que supondría?

14. El muro de una cámara frigorífica de conservación de productos congelados consta de:

Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0,93 W/m.°C)

Ladrillo macizo de 1 pie (k = 0,7 W/m°C)

Corcho expandido (k = 0,058 W/m.°C)

Ladrillo hueco de 7 cm de espesor (k = 1,28 W/m.°C)

Revoco de cemento de 2 cm de espesor (k = 0,93 W/m.°C)

La temperatura del aire interior de la cámara es – 25°C y la del aire exterior 30°C.Si las

pérdidas de calor del muro de la cámara han de ser inferiores a 11 W/m2, determinar:

a) El espesor de aislamiento (corcho) que debe colocarse.

b) La distribución de temperaturas en el muro.

Se tomarán como coeficientes de transmisión de calor por convección exterior e interior

23.26 y 13.96 W/m2.°C, respectivamente.

15. Considere una casa de ladrillos calentada eléctricamente (K=0.35 Btu/h. ft. ºF) cuyas

paredes tiene 9 ft de alto y 1 ft de espesor. Dos de las paredes tienen 50 ft de largo y las

otras 35 ft. La casa se mantiene a 70 ºF en todo momento, en tanto que la temperatura

exterior varía. En cierto día se mide la temperatura de la superficie interior de las paredes

y resulta ser de 55ºF, en tanto que se observa que la temperatura promedio de la

superficie exterior permanece en 45 ºF durante el día por 10h, y en 35ºF en la noche por

14h. Determine la cantidad de calor perdido por la casa ese día. También determine el

costo de esa pérdida de calor para el propietario, si el precio de la electricidad es de

0.09dolares/kWh.

16. El aire de un local acondicionado se encuentra a una temperatura de 20°C, La cara

interior del muro tiene un coeficiente de película de hint = 3 W/m²K y en su cara exterior

intercambia calor por convección con el aire ambiente a 10°C (el coeficiente de película

exterior puede considerarse de hext = 10 W/m²K). Calcular la pérdida de calor en toda la



habitación. ¿Qué recomendaría Ud, para disminuir la pérdida de calor en un 80%?. La

composición del muro exterior es:

17. Una pared de 4m de alto y 6m de ancho consiste en

ladrillos con una sección transversal horizontal de 18 cm

x 30 cm (k=0.72W/m.ºC) separados por capas de mezcla

(k=0.22W/m.ºC) de 3cm de espesor. También se tienen

capas de mezcla de 2 cm de espesor sobre cada lado de la

pared y una espuma rígida (k=0.026W/m.ºC) de 2 cm de

espesor sobre el lado interior de la misma. Las

temperaturas en el interior y el exterior son de 22 ºC y –

4 ºC y los coeficientes de transferencia de calor por

convección sobre los lados interior y exterior son h1 =

10W/m2.ºC y h2 = 20W/m2.ºC, respectivamente. Si se

supone una transferencia en una solo dirección y se

descarta la radiación, determine la razón de la

transferencia de calor a través de la pared.

18. Una pared compuesta está constituida por capas de materiales diferentes tal y como se

indica en la figura. Las superficies extremas se encuentran bañadas por fluidos a 800°C y a

20°C, con coeficientes convectivos de 17,4 W/m2.K y 11,6 W/m2.K, respectivamente,

calcular:

a) El calor transmitido por unidad de tiempo a través de la pared.

b) La distribución de temperaturas en ella.

c) Calor transmitido en la unidad de tiempo a través de los materiales B, C y D.

Las conductividades térmicas de los diferentes materiales son las siguientes:

kA = 1,37 W/m.K ; kB = 0,69 W/m.K ; kC = 0,8 W/m.K ;kD = 0,93 W/m.K; kE= 0,067

W/m.K.

1.5 cm

30 cm

1.5 cm

2cm

18 cm

2cm2cm

Espuma

Ladrillo

Mezcla



19. Un tubo de cobre de 20 mm de diámetro es utilizado para transportar agua caliente. a) Cuanto pierde por convección al ambiente, por m de longitud, si la superficie exterior

del tubo está a 80ºC, el ambiente exterior a 20ºC y h=6W/(m2.K).

b) Si el tubo es aislado y el espesor es de 1 mm, ¿Cuál debe ser la temperatura en la cara

interna del tubo?

20. Un tubo de vapor se cubre con material aislante de 0.5 cm de espesor y 0.2 cal/(s cm ºC)

de conductividad térmica. Inicialmente ¿Cuánto calor se pierde por segundo si el tubo está

a 120º C y el aire circundante a 20º C? El tubo tiene un perímetro de 20 cm y una longitud

de 50 cm. Ignore las pérdidas por los extremos del tubo. Analice la conveniencia o no de

usar la relación dada para superficies planas. Estrictamente, debería usar la ecuación

diferencial para la tasa conducción de calor e integrar para un conjunto de capitas

superpuestas, cada una de forma cilíndrica y muy delgadita.

21. Por el interior de una tubería de acero, de 17 cm de diámetro exterior y 15 cm de

diámetro interior (conductividad térmica 15 kcal/h·m°C), circula vapor saturado a 60

kgf/cm2 de presión (T = 274°C) atravesando un local que se encuentra a 21ºC. Los

coeficientes de película exterior e interior son 10 y 2.000 kcal/h·m2°C respectivamente.

Calcular:

a) Flujo de calor por unidad de longitud.

b) Espesor de aislante (lana de roca de conductividad térmica 0,048 kcal/h.mºC)

necesario para reducir el flujo de calor a la tercera parte.

22. Una tubería de acero de 36 cm de diámetro exterior, 34 cm de diámetro interior y

conductividad térmica 40 kcal/h.mºC, transporta fueloil a 50 ºC a través de un local que se

encuentra a 10 ºC. Con objeto de mantener constante la temperatura del fueloil, se rodea

la tubería con una aislante de 1 cm de material de conductividad térmica 200 kcal/h.mºC.

Calcular la distribución de temperatura en la tubería y en la resistencia. Los coeficientes

de película en el exterior e interior de la tubería son 15 y 45kcal/h.m2ºC respectivamente.

23. Un tubo desnudo normalizado de 25 mm, con una temperatura superficial de 175ºC se

coloca en aire a 30ºC. El coeficiente de película entre la superficie y el aire es de 4,9

W/m2ºC. Se desea reducir las pérdidas de calor al 50% mediante la colocación de un

aislante de K=0.15 W/mºC. Si la temperatura superficial de la tubería y el coeficiente de

película permanecen constantes al añadir el aislante, calcular el espesor necesario. ¿Tiene

este espesor un valor aceptable desde el punto de vista económico? Coeficiente de

conductividad del tubo K = 48 W/mºC.

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folleto calor

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