Ejercicios balance de momento calor y masa

Cuestionario:

1. ¿Qué es el análisis de sistemas concentrados? ¿Cuándo se puede aplicar?

2. ¿Cuál es el significado físico del número de Biot? ¿Es más probable que el número de Biot sea más grande para los sólidos intensamente conductores o para los malos conductores?

Problemas

1. Se va a medir la temperatura de una corriente de gas por medio de un termopar cuya unión se puede considerar como una esfera de 1.2 mm de diámetro. Las propiedades de la unión son k= 35 W/m · °C, ρ= 8 500 kg/m3, y Cp= 320 J/kg · °C, y el coeficiente de transferencia de calor entre la unión y el gas es h= 90 W/m2 · °C. Determine cuánto tiempo transcurrirá para que la lectura del termopar sea 99% de la diferencia inicial de temperatura.

2. Una flecha cilíndrica larga de 35 cm de diámetro hecha de acero inoxidable 304 (k = 14.9 W/m · °C, ρ =7 900 kg/m3, Cp = 477 J/kg · °C y α = 3.95x10-6 m2 /s) sale de un horno a una temperatura uniforme de 400°C. Enseguida, la flecha se deja enfriar con lentitud en una cámara a 150°C con un coeficiente promedio de transferencia de calor por convección de h = 60 W/m2 · °C. Determine la temperatura en el centro de la flecha 20 min después del inicio del proceso de enfriamiento. Asimismo, determine la transferencia de calor por unidad de longitud de la flecha durante este periodo.

3. Una barra rectangular con 92.4  mm de espesor y temperatura de 4.4 °C se extrae de la nevera y se coloca en un medio ambiente a 23.9 °C (puede considerarse que los lados y el fondo de la mantequilla están aislados por las paredes del recipiente. Por lo tanto, el área expuesta al medio ambiente es la superficie plana superior de la mantequilla). El coeficiente convectivo es constante y tiene un valor de 8.52 W/m2·K. Las propiedades físicas de la mantequilla son: k = 0.197 W/m · K, ρ= 998 kg/m3, y      Cp = 2.30 kJ/kg · K.  Después de una exposición de 5h, calcule la temperatura de la mantequilla en:

a) la superficie b a 25.4 mm por debajo de la superficie y

b) a 46.2 mm por debajo de la superficie en el fondo aislado,

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