Radiación / física

objetivos de aprendizaje

al final de esta sección, podrá:

discutir la transferencia de calor por radiación.
explicar el poder de los diferentes materiales.

se puede sentir la transferencia de calor de un fuego y del Sol. Del mismo modo, a veces se puede decir que el horno está caliente sin tocar su puerta o mirar dentro—que solo puede calentar a medida que pasa. El espacio entre la Tierra y el sol está en gran parte vacío, sin ninguna posibilidad de transferencia de calor por convección o conducción., En estos ejemplos, el calor es transferido por radiación. Es decir, el cuerpo caliente emite ondas electromagnéticas que son absorbidas por nuestra piel: no se requiere ningún medio para que las ondas electromagnéticas se propaguen. Se utilizan diferentes nombres para las ondas electromagnéticas de diferentes longitudes de onda: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

la Figura 1. La mayor parte de la transferencia de calor de este fuego a los observadores es a través de la radiación infrarroja., La luz visible, aunque dramática, transfiere relativamente poca energía térmica. La convección transfiere energía lejos de los observadores a medida que el aire caliente se eleva, mientras que la conducción es ligeramente lenta aquí. La piel es muy sensible a la radiación infrarroja, por lo que puede sentir la presencia de un fuego sin mirarlo directamente. (crédito: Daniel X. O’Neil)

la energía de la radiación electromagnética depende de la longitud de onda (color) y varía en un amplio rango: una longitud de onda más pequeña (o una frecuencia más alta) corresponde a una energía más alta., Debido a que se irradia más calor a temperaturas más altas, un cambio de temperatura va acompañado de un cambio de color. Tomemos, por ejemplo, un elemento eléctrico en una estufa, que brilla de rojo a naranja, mientras que el acero de alta temperatura en un alto horno brilla de amarillo a blanco. La radiación que se siente es en su mayoría infrarroja, que corresponde a una temperatura más baja que la del elemento eléctrico y el acero. La energía irradiada depende de su intensidad, que se representa en la Figura 2 por la altura de la distribución.,

ondas electromagnéticas explica más sobre el espectro electromagnético e Introducción a la física cuántica discute cómo la disminución en la longitud de onda corresponde a un aumento en la energía.

la Figura 2. a) un gráfico de los espectros de las ondas electromagnéticas emitidas por un radiador ideal a tres temperaturas diferentes. La intensidad o tasa de emisión de radiación aumenta dramáticamente con la temperatura, y el espectro se desplaza hacia las partes visibles y ultravioletas del espectro., La parte sombreada denota la parte visible del espectro. Es evidente que el cambio hacia el ultravioleta con la temperatura hace que la apariencia visible cambie de rojo a blanco a azul a medida que aumenta la temperatura. (b) tenga en cuenta las variaciones de color correspondientes a las variaciones en la temperatura de la llama. (crédito: Tuohirulla)

la Figura 3. Esta ilustración muestra que el pavimento más oscuro es más caliente que el pavimento más claro (mucho más del hielo a la derecha se ha derretido), aunque ambos han estado a la luz del sol por el mismo tiempo., Las conductividades térmicas de los pavimentos son las mismas.

Todos los objetos absorben y emiten radiación electromagnética. La tasa de transferencia de calor por radiación está determinada en gran medida por el color del objeto. El negro es el más efectivo, y el blanco es el menos efectivo. Las personas que viven en climas cálidos generalmente evitan usar ropa negra, por ejemplo (ver experimento para llevar a casa: temperatura al Sol). Del mismo modo, el asfalto negro en un estacionamiento será más caliente que la acera gris adyacente en un día de verano, porque el negro absorbe mejor que el gris., Lo contrario también es cierto: el negro irradia mejor que el gris. Por lo tanto, en una noche clara de verano, el asfalto será más frío que la acera gris, porque el negro irradia la energía más rápidamente que el gris. Un radiador ideal es del mismo color que un absorbedor ideal, y captura toda la radiación que cae sobre él. En contraste, el blanco es un pobre absorbedor y también es un pobre radiador. Un objeto blanco refleja toda la radiación, como un espejo. (Una superficie blanca perfecta y pulida tiene una apariencia similar a un espejo, y un espejo triturado se ve blanco.,)

Los Objetos grises tienen una capacidad uniforme de absorber todas las partes del espectro electromagnético. Los objetos coloreados se comportan de manera similar pero más compleja, lo que les da un color particular en el rango visible y puede hacerlos especiales en otros rangos del espectro no visible. Tomemos, por ejemplo, la fuerte absorción de la radiación infrarroja por la piel, lo que nos permite ser muy sensibles a ella.

la Figura 4. Un objeto negro es un buen absorbedor y un buen radiador, mientras que un objeto blanco (o plateado) es un pobre absorbedor y un pobre radiador., Es como si la radiación desde el interior se refleja de nuevo en el objeto de plata, mientras que la radiación desde el interior del objeto negro es «absorbida» cuando golpea la superficie y se encuentra en el exterior y se emite fuertemente.

la tasa de transferencia de calor por radiación emitida está determinada por la Ley de radiación de Stefan-Boltzmann:

\displaystyle\frac{Q}{t}=\sigma{e}AT^{4}\\,

donde σ = 5.67 × 10-8 J/S · m2 · K4 es la constante de Stefan-Boltzmann, A es el área de superficie del objeto, y t es su temperatura absoluta en Kelvin., El símbolo e representa la emisividad del objeto, que es una medida de lo bien que irradia. Un radiador negro azabache ideal (o cuerpo negro) tiene e = 1, mientras que un reflector perfecto tiene e = 0. Los objetos reales se encuentran entre estos dos valores. Tomemos, por ejemplo, los filamentos de bombilla de tungsteno que tienen una e de aproximadamente 0,5, y el negro de carbón (un material utilizado en el tóner de la impresora), que tiene la emisividad (más grande conocida) de aproximadamente 0,99.

la tasa de radiación es directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta, una dependencia de la temperatura notablemente fuerte., Además, el calor irradiado es proporcional a la superficie del objeto. Si usted destruye las brasas de un incendio, hay un aumento notable en la radiación debido a un aumento en la superficie radiante.

la Figura 5. Un termógrafo de una parte de un edificio muestra las variaciones de temperatura, lo que indica dónde la transferencia de calor al exterior es más severa. Las ventanas son una región importante de transferencia de calor al exterior de los hogares. (crédito: estados UNIDOS, Army)

la piel es un excelente absorbente y emisor de radiación infrarroja, con una emisividad de 0,97 en el espectro infrarrojo. Por lo tanto, todos somos casi (jet) negro en el infrarrojo, a pesar de las variaciones obvias en el color de la piel. Esta alta emisividad infrarroja es la razón por la que podemos sentir tan fácilmente la radiación en nuestra piel. También es la base para el uso de telescopios nocturnos utilizados por las fuerzas del orden y los militares para detectar seres humanos. Incluso se pueden detectar pequeñas variaciones de temperatura debido a la dependencia de T4., Las imágenes, llamadas termógrafos, se pueden usar médicamente para detectar regiones de temperatura anormalmente alta en el cuerpo, tal vez indicativas de enfermedad. Se pueden utilizar técnicas similares para detectar fugas de calor en los hogares Figura 5, optimizar el rendimiento de los altos hornos, mejorar los niveles de confort en los entornos de trabajo e incluso mapear de forma remota el perfil de temperatura de la Tierra.

Todos los objetos emiten y absorben radiación. La tasa neta de transferencia de calor por radiación (absorción menos emisión) está relacionada tanto con la temperatura del objeto como con la temperatura de su entorno., Suponiendo que un objeto con una temperatura T1 está rodeado por un entorno con temperatura uniforme T2, la tasa neta de transferencia de calor por radiación es

\displaystyle\frac{Q_{\text{net}}}{t}=\sigma{e}^\left(T^4_2-t^4_1\right)\\,

experimento para llevar a casa: temperatura en el sol

coloque un termómetro a la luz del sol y protéjalo de la luz solar directa usando un papel de aluminio. ¿Qué es la lectura? Ahora retire el escudo, y observe lo que el termómetro lee., Tome un pañuelo empapado en quitaesmalte, envuélvalo alrededor del termómetro y colóquelo al sol. ¿Qué lee el termómetro?

La Tierra recibe casi toda su energía de la radiación del Sol y refleja algunas de vuelta al espacio exterior. Debido a que el sol es más caliente que la Tierra, el flujo neto de energía es del sol a la Tierra. Sin embargo, la tasa de transferencia de energía es menor de lo que la ecuación para la transferencia de calor radiativo podría predecir porque el sol no llena el cielo. La emisividad media (e) de la Tierra es de aproximadamente 0.,65, pero el cálculo de este valor se complica por el hecho de que la cobertura de nubes altamente reflectantes varía mucho de un día a otro. Hay una retroalimentación negativa (una en la que un cambio produce un efecto que se opone a ese cambio) entre las nubes y la transferencia de calor; mayores temperaturas evaporan más agua para formar más nubes, que reflejan más radiación de vuelta al espacio, reduciendo la temperatura. El efecto invernadero a menudo mencionado está directamente relacionado con la variación de la emisividad de la tierra con el tipo de radiación (ver Figura 6)., El efecto invernadero es un fenómeno natural responsable de proporcionar temperaturas adecuadas para la vida en la Tierra. La temperatura relativamente constante de la Tierra es el resultado del balance de energía entre la radiación solar entrante y la energía irradiada desde la Tierra. La mayor parte de la radiación infrarroja emitida desde la Tierra es absorbida por el dióxido de Carbono (CO2) y el agua (H2O) en la atmósfera y luego re-irradiada a la tierra o al espacio exterior., La Re-radiación a la Tierra mantiene su temperatura superficial unos 40ºC más alta de lo que sería si no hubiera atmósfera, similar a la forma en que el vidrio aumenta las temperaturas en un invernadero.

la Figura 6. El efecto invernadero es un nombre dado a la captura de energía en la atmósfera de la Tierra por un proceso similar al utilizado en invernaderos. La atmósfera, como el vidrio de la ventana, es transparente a la radiación visible entrante y a la mayor parte del infrarrojo del Sol. Estas longitudes de onda son absorbidas por la Tierra y reemitidas como Infrarrojo., Dado que la temperatura de la Tierra es mucho más baja que la del sol, el infrarrojo irradiado por la Tierra tiene una longitud de onda mucho más larga. La atmósfera, como el vidrio, atrapa estos rayos infrarrojos más largos, manteniendo la Tierra más caliente de lo que sería de otra manera. La cantidad de atrapamiento depende de las concentraciones de gases traza como el dióxido de carbono, y se cree que un cambio en la concentración de estos gases afecta la temperatura de la superficie de la Tierra.,

el efecto invernadero también es central en la discusión del calentamiento global debido a la emisión de dióxido de carbono y metano (y otros llamados gases de efecto invernadero) a la atmósfera de la tierra desde la producción industrial y la agricultura. Los cambios en el clima mundial podrían conducir a tormentas más intensas, cambios en las precipitaciones (que afectan a la agricultura), reducción de la biodiversidad de las selvas tropicales y aumento del nivel del mar.

la Figura 7., Esta cocina solar simple pero efectiva utiliza el efecto invernadero y el material reflectante para atrapar y retener la energía solar. Hecho de materiales baratos y duraderos, ahorra dinero y mano de obra, y tiene un valor económico particular en los países en desarrollo pobres en energía. (crédito: E. B. Kauai)

la calefacción y la refrigeración a menudo contribuyen significativamente al uso de energía en hogares individuales., Los esfuerzos actuales de investigación en el desarrollo de hogares respetuosos con el medio ambiente a menudo se centran en reducir la calefacción y refrigeración convencionales a través de mejores materiales de construcción, colocar estratégicamente las ventanas para optimizar la ganancia de radiación del sol y abrir espacios para permitir la convección. Es posible construir una casa de energía cero que permite una vida cómoda en la mayor parte de los Estados Unidos con veranos calurosos y húmedos e inviernos fríos.

Por el contrario, el espacio oscuro es muy frío, alrededor de 3K (- 454ºF), por lo que la Tierra irradia energía hacia el cielo oscuro., Debido al hecho de que las nubes tienen menor emisividad que los océanos o las masas de tierra, reflejan parte de la radiación de vuelta a la superficie, reduciendo en gran medida la transferencia de calor al espacio oscuro, al igual que reducen en gran medida la transferencia de calor a la atmósfera durante el día. La velocidad de transferencia de calor desde el suelo y las hierbas puede ser tan rápida que las heladas pueden ocurrir en las noches claras de verano, incluso en latitudes cálidas.

Compruebe su comprensión

¿Cuál es el cambio en la velocidad del calor irradiado por un cuerpo a la temperatura T1 = 20ºC en comparación con cuando el cuerpo está a la temperatura T2 = 40ºC?,

Solución

El calor irradiado es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Debido a que T1 = 293 K y T2 = 313 K, La tasa de transferencia de calor aumenta en aproximadamente un 30 por ciento de la tasa original.

conexión profesional: Consulta de Conservación de energía

generalmente se cree que el costo de la energía sigue siendo muy alto en el futuro previsible. Por lo tanto, el control pasivo de la pérdida de calor en la vivienda comercial y doméstica será cada vez más importante., Los consultores de energía miden y analizan el flujo de energía que entra y sale de las casas y se aseguran de que se mantenga un intercambio saludable de aire dentro de la casa. Las perspectivas de empleo para un consultor energético son sólidas.

estrategias de resolución de problemas para los métodos de transferencia de calor

Examine la situación para determinar qué tipo de transferencia de calor está involucrada.
Identificar los tipos de transferencia de calor—conducción, convección o radiación.
Identificar exactamente lo que necesita ser determinado en el problema (identificar las incógnitas). Una lista escrita es muy útil.,
haga una lista de lo que se da o se puede inferir del problema como se indica (identifique los conocidos).
resolver la ecuación apropiada para la cantidad a determinar (lo desconocido).
Para la conducción, la ecuación \ displaystyle\frac{Q} {t}=\frac{kA \ left (T_2-T_1\right)}{d}\\ es apropiada. La tabla 1 en conducción enumera las conductividades térmicas. Para la convección, determine la cantidad de materia movida y use la ecuación Q = mcΔT, para calcular la transferencia de calor involucrada en el cambio de temperatura del fluido., Si un cambio de fase acompaña a la convección, la ecuación Q = mLf O Q = mLv es apropiada para encontrar la transferencia de calor involucrada en el cambio de fase. La tabla 1 en cambio de fase y calor latente enumera información relevante para el cambio de fase. Para la radiación, la ecuación \displaystyle\frac{Q_ {\text {net}}} {t} = \ sigma{e}a\left (T^4_2-t^4_1\right)\\ da la tasa neta de transferencia de calor.
Inserte los conocidos junto con sus unidades en la ecuación apropiada y obtenga soluciones numéricas completas con unidades.
Compruebe la respuesta para ver si es razonable. ¿Tiene sentido?,

resumen de la sección

preguntas conceptuales

Cuando ves un circo diurno en una carpa grande de color oscuro, sientes una transferencia de calor significativa desde la carpa. Explique por qué ocurre esto.
Los satélites diseñados para observar la radiación del espacio frío (3 K) oscuro tienen sensores que están a la sombra del sol, la Tierra y la Luna y que se enfrían a temperaturas muy bajas. ¿Por qué los sensores deben estar a baja temperatura?
¿Por qué las noches nubladas son generalmente más cálidas que las claras?,
¿Por qué los termómetros que se utilizan en las estaciones meteorológicas están protegidos del sol? ¿Qué mide un termómetro si está protegido de la luz solar y también si no lo está?
En promedio, ¿la Tierra sería más cálida o más fría sin la atmósfera? Explica tu respuesta.

problemas& ejercicios

¿A qué velocidad neta irradia el calor de un techo negro de 275 m2 en una noche cuando la temperatura del techo es de 30.0 ºC y la temperatura circundante es de 15.0 ºC? La emisividad del techo es de 0.900.,
(a) las brasas de color rojo cereza en una chimenea están a 850ºC y tienen una superficie expuesta de 0.200 m2 y una emisividad de 0.980. La habitación circundante tiene una temperatura de 18.0 ºC. Si el 50% de la energía radiante entra en la habitación, ¿Cuál es la tasa neta de transferencia de calor radiante en kilovatios? (b) ¿apoya su respuesta la afirmación de que la mayor parte de la transferencia de calor a una habitación junto a una chimenea proviene de la radiación infrarroja?
La Radiación hace imposible estar cerca de un flujo de lava caliente. Calcular la tasa de transferencia de calor por radiación de 1,00 m2 de lava fresca de 1200ºC a 30.,Entorno de 0ºC, suponiendo que la emisividad de la lava es de 1.00.
(a) calcule la tasa de transferencia de calor por radiación de un radiador de automóvil a 110 ° C a un ambiente de 50.0 ° C, si el radiador tiene una emisividad de 0.750 y una superficie de 1.20-m2. (b) Is this a significant fraction of the heat transfer by an automobile engine? Para responder a esto, suponga una potencia de 200 hp(1.5 kW) y la eficiencia de los motores de automóviles como 25%.
encuentre la tasa neta de transferencia de calor por radiación de un esquiador de pie en la sombra, teniendo en cuenta lo siguiente., Está completamente vestida de blanco (de pies a cabeza, incluyendo un pasamontañas), la ropa tiene una emisividad de 0.200 y una temperatura superficial de 10.0 ºC, el entorno está a−15.0 ºC, y su superficie es de 1.60 m2.
supongamos que entras en una sauna que tiene una temperatura ambiente de 50.0 ºC. (a) calcule la tasa de transferencia de calor a usted por radiación dada la temperatura de su piel es de 37.0 ºC, la emisividad de la piel es de 0.98 y la superficie de su cuerpo es de 1.50 m2., (b) Si todas las otras formas de transferencia de calor están equilibradas (la transferencia neta de calor es cero), ¿a qué velocidad aumentará su temperatura corporal si su masa es de 75.0 kg?
la termografía es una técnica para medir el calor radiante y detectar variaciones en las temperaturas superficiales que pueden ser significativas desde el punto de vista médico, ambiental o militar.a) ¿cuál es el aumento porcentual en la tasa de transferencia de calor por radiación de una zona determinada a una temperatura de 34,0 ºC en comparación con la de 33,0 ºC, como en la piel de una persona?, (b) What is the percent increase in the rate of heat transfer by radiation from a given area at a temperature of 34.0 ºC compared with that at 20.0 ºC, such as for warm and cool automobile hoods?

la Figura 8. Interpretación artística de un termógrafo de la parte superior del cuerpo de un paciente, que muestra la distribución del calor representada por diferentes colores.
El Sol irradia como un cuerpo negro perfecto con una emisividad de exactamente 1. (a) calcular la temperatura superficial del Sol, dado que es una esfera con un 7.,Radio de 00 × 108-m que irradia 3.80 × 1026 W en el espacio de 3-K. (b) ¿cuánta energía irradia el sol por metro cuadrado de su superficie? (c) ¿cuánta potencia en vatios por metro cuadrado es ese valor a la distancia de la Tierra, 1.50 × 1011 m de distancia? (Este número se llama la constante solar.)
Un gran cuerpo de lava de un volcán ha dejado de fluir y se está enfriando lentamente. El interior de la lava está a 1200ºC, su superficie está a 450ºC, y los alrededores están a 27.0 ºC. (a) calcular la velocidad a la que la energía es transferida por la radiación de 1.,00 m2 de lava superficial en los alrededores, suponiendo que la emisividad es 1.00. (b) supongamos que la conducción de calor a la superficie ocurre a la misma velocidad. ¿Cuál es el espesor de la lava entre la superficie de 450ºC y el interior de 1200ºC, suponiendo que la conductividad de la lava es la misma que la del ladrillo?
calcule la temperatura que tendría que tener todo el cielo para transferir energía por radiación a 1000 W / m2, aproximadamente la velocidad a la que el sol irradia cuando está directamente sobre la cabeza en un día claro., Este valor es la temperatura efectiva del cielo, una especie de promedio que tiene en cuenta el hecho de que el Sol ocupa solo una pequeña parte del cielo, pero es mucho más caliente que el resto. Supongamos que el cuerpo que recibe la energía tiene una temperatura de 27.0 ºC.
(a) un jinete sin camisa debajo de una carpa de circo siente el calor que irradia de la parte iluminada por el sol de la carpa. Calcule la temperatura del lienzo de la tienda en base a la siguiente información: la temperatura de la piel del ciclista sin camisa es de 34.0 ºC y tiene una emisividad de 0.970. El área expuesta de la piel es de 0.400 m2., Recibe radiación a razón de 20.0 W, la mitad de lo que se calcularía si toda la región detrás de él estuviera caliente. El resto del entorno se encuentra a 34,0 ºC. (B) discutir cómo esta situación cambiaría si el lado iluminado por el sol de la tienda era casi blanco puro y si el jinete estaba cubierto por una túnica blanca.
Conceptos integrados. Un día de 30.0 ºC la humedad relativa es del 75.0%, y esa noche la temperatura baja a 20.0 ºC, muy por debajo del punto de rocío. (a) ¿cuántos gramos de agua se condensan de cada metro cúbico de aire? (b) ¿cuánta transferencia de calor se produce por esta condensación?, (c) ¿Qué aumento de temperatura podría causar esto en el aire seco?
Conceptos integrados. Grandes meteoros a veces golpean la Tierra, convirtiendo la mayor parte de su energía cinética en energía térmica. a) ¿cuál es la energía cinética de un meteoro de 109 kg que se mueve a 25,0 km/s? (b) Si este meteoro aterriza en un océano profundo y el 80% de su energía cinética va a calentar agua, ¿cuántos kilogramos de agua podría aumentar en 5,0 ºC? C) examinar cómo es más probable que la energía del meteoro se deposite en el océano y los efectos probables de esa energía.
Conceptos integrados., Los desechos congelados de los inodoros de los aviones a veces han sido expulsados accidentalmente a gran altura. Normalmente se rompe y se dispersa en un área grande, pero a veces se mantiene unido y golpea el suelo. Calcular la masa de hielo a 0ºC que puede ser derretido por la conversión de energía potencial cinética y gravitacional cuando una pieza de 20.0 kg de residuos congelados se libera a 12.0 km de altitud mientras se mueve a 250 m/s y golpea el suelo a 100 m / s (ya que se derrite menos de 20.0 kg, se produce un desastre significativo).
Conceptos integrados., (a) una gran instalación de energía eléctrica produce 1600 MW de «calor residual», que se disipa al medio ambiente en Torres de enfriamiento calentando el aire que fluye a través de las torres en 5,00 ºC. ¿Cuál es el caudal necesario de aire en m3/s? (b) ¿es su resultado consistente con las grandes torres de enfriamiento utilizadas por muchas grandes plantas de energía eléctrica?
Conceptos integrados. (a) supongamos que comienza un entrenamiento en un Stairmaster, produciendo energía al mismo ritmo que subir 116 escaleras por minuto. Suponiendo que su masa es de 76,0 kg y su eficiencia es de 20.,0%, ¿cuánto tiempo tomará para que su temperatura corporal suba 1.00 ºC si todas las otras formas de transferencia de Calor Dentro y fuera de su cuerpo están equilibradas? (b) ¿es esto consistente con su experiencia en calentarse mientras hace ejercicio?
Conceptos integrados. Una persona de 76,0 kg que sufre de hipotermia entra en el interior y tiembla vigorosamente. ¿Cuánto tiempo tarda la transferencia de calor en aumentar la temperatura corporal de la persona en 2.00 ºC si todas las demás formas de transferencia de calor están equilibradas?
Conceptos integrados. En ciertas grandes regiones geográficas, la roca subyacente es caliente., Los pozos se pueden perforar y el agua circula a través de la roca para la transferencia de calor para la generación de electricidad. a) calcular la transferencia de calor que se puede extraer enfriando 1,00 km3 de granito por 100ºC. b) ¿cuánto tiempo tomará la transferencia de calor a una velocidad de 300 MW, suponiendo que no haya transferencias de calor de vuelta a la roca de 1,00 km3 por sus alrededores?
Conceptos integrados. El calor se transfiere desde los pulmones y las vías respiratorias al evaporar agua. (a) Calcule el número máximo de gramos de agua que puede evaporarse al inhalar 1.,50 L de aire a 37ºC con una humedad relativa original del 40,0%. (Supongamos que la temperatura corporal también es de 37ºC.) (b) ¿cuántos julios de energía se requieren para evaporar esta cantidad? (c) ¿Cuál es la tasa de transferencia de calor en vatios de este método, si respira a una tasa de reposo normal de 10.0 respiraciones por minuto?
Conceptos integrados. (A) What is the temperature increase of water falling 55.0 m over Niagara Falls? b) ¿Qué fracción debe evaporarse para mantener la temperatura constante?
Conceptos integrados. El aire caliente se eleva porque se ha expandido., Luego desplaza un mayor volumen de aire frío, lo que aumenta la fuerza de flotación sobre él. a) calcular la relación entre la fuerza de flotación y el peso del aire de 50,0 ºC rodeado de aire de 20,0 ºC. (b) ¿Qué energía se necesita para hacer que 1.00m3 de aire pase de 20.0 ºC a 50.0 ºC? (c) ¿Qué energía potencial gravitacional se obtiene con este volumen de aire si se eleva 1,00 m? ¿Causará esto un enfriamiento significativo del aire?
resultados irrazonables. a) ¿cuál es el aumento de temperatura de una persona de 80,0 kg que consume 2.500 kcal de alimentos en un día con el 95,0% de la energía transferida en forma de calor al cuerpo?, (b) What is unreasonable about this result? c) ¿Qué premisa o supuesto es responsable?
resultados irrazonables. Un inventor Ártico ligeramente trastornado rodeado de hielo piensa que sería mucho menos complejo mecánicamente enfriar un motor de automóvil derritiendo hielo en él que teniendo un sistema refrigerado por agua con un radiador, bomba de agua, anticongelante, etc. (a) si el 80.0% de la energía en 1.00 gal de gasolina se convierte en «calor residual» en un motor de automóvil, ¿cuántos kilogramos de hielo de 0ºC podría derretirse? (b) ¿es esta una cantidad razonable de hielo para llevar alrededor para enfriar el motor durante 1.,00 gal de consumo de gasolina? (c) ¿Qué premisas o supuestos son razonables?
resultados irrazonables. (a) calcular la velocidad de transferencia de calor por conducción a través de una ventana con un área de 1.00 m2 que es de 0.750 cm de espesor, si su superficie interior está a 22.0 ºC y su superficie exterior está a 35.0 ºC. (b) What is unreasonable about this result? c) ¿Qué premisa o supuesto es responsable?
resultados irrazonables. Un meteorito de 1,20 cm de diámetro está tan caliente inmediatamente después de penetrar en la atmósfera que irradia 20,0 kW de potencia., (a) ¿cuál es su temperatura, si el entorno está a 20.0 ºC y tiene una emisividad de 0.800? (b) What is unreasonable about this result? c) ¿Qué premisa o supuesto es responsable?
Construye tu propio problema. Considere la posibilidad de probar un nuevo modelo de avión comercial con sus frenos como parte del procedimiento inicial de permiso de vuelo. El avión se lleva a la velocidad de despegue y luego se detiene con los frenos solos. Construya un problema en el que calcule el aumento de temperatura de los frenos durante este proceso., Puede suponer que la mayor parte de la energía cinética del avión se convierte en energía térmica en los frenos y materiales circundantes, y que poco se escapa. Tenga en cuenta que se espera que los frenos se calienten tanto en este procedimiento que se enciendan y, para pasar la prueba, el avión debe ser capaz de resistir el fuego durante algún tiempo sin una conflagración general.
Construye tu propio problema. Considere a una persona al aire libre en una noche fría. Construir un problema en el que se calcula la tasa de transferencia de calor de la persona por los tres métodos de transferencia de calor., Haga que las circunstancias iniciales sean tales que en reposo la persona tendrá una transferencia de calor neta y luego decida cuánta actividad física de un tipo elegido es necesaria para equilibrar la tasa de transferencia de calor. Entre las cosas a considerar están el tamaño de la persona, el tipo de ropa, la tasa metabólica inicial, las condiciones del cielo, la cantidad de agua evaporada y el volumen de aire respirado. Por supuesto, hay muchos otros factores a considerar y su instructor puede desear guiarlo en las suposiciones hechas, así como el detalle del análisis y el método de presentación de sus resultados.,
efecto invernadero: calentamiento de la tierra que se debe a gases como el dióxido de carbono y el metano que absorben la radiación infrarroja de la superficie de la Tierra y la vuelven a irradiar en todas las direcciones, enviando así una fracción de ella hacia la superficie de la Tierra

tasa neta de transferencia de calor por radiación: is \displaystyle\frac{{Q}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left ({T}_{2}^{4}-{T}_{1}^{4}\derecha) \ \

radiación: energía transferida por ondas electromagnéticas directamente como resultado de una diferencia de temperatura

soluciones seleccionadas a problemas & ejercicios

1., -21.7 kW; tenga en cuenta que la respuesta negativa implica pérdida de calor en el entorno.

3. -266 kW

5. -36,0 W

7. a) 1,31%; b) 20,5%

9. (a) -15.0 kW; (B) 4.2 cm

11. (a) 48.5 ºC; (b) Un objeto blanco puro refleja más de la energía radiante que lo golpea, por lo que una tienda blanca evitaría que más luz solar calentara el interior de la tienda, y la túnica blanca evitaría que el calor que entró en la tienda calentara al jinete. Por lo tanto, con una tienda blanca, la temperatura sería inferior a 48.,5ºC, y la tasa de calor radiante transferido al piloto sería inferior a 20.0 W.

13. (a) 3 × 1017 J; (B) 1 × 1013 kg; (c) Cuando un gran meteoro golpea el océano, causa grandes marejadas, disipando gran cantidad de su energía en forma de energía cinética del agua.

15. (a) 3.44 × 105 m3/s; (b) esto es equivalente a 12 millones de pies cúbicos de aire por segundo. Eso es tremendo. Esto es demasiado grande para ser disipado calentando el aire por solo 5ºC. Muchas de estas torres de enfriamiento utilizan la circulación de aire más frío sobre agua más caliente para aumentar la tasa de evaporación., Esto permitiría cantidades mucho más pequeñas de aire necesarias para eliminar una cantidad tan grande de calor porque la evaporación elimina cantidades más grandes de calor que las consideradas en la parte (a).

17. 20,9 min

19. a) 3,96 × 10-2 g; b) 96,2 J; c) 16,0 W

21. (a) 1.102; (B) 2.79 × 104 J; (c) 12.6 J. esto no causará un enfriamiento significativo del aire porque es mucho menor que la energía encontrada en la Parte (b), que es la energía requerida para calentar el aire de 20.0 ºC a 50.0 ºC.

22. (a) 36ºC; (b) cualquier aumento de temperatura superior a aproximadamente 3ºC sería irrazonablemente grande., En este caso, la temperatura final de la persona aumentaría a 73ºC(163ºF); (c) la suposición de una retención de calor del 95% no es razonable.

24. (a) 1.46 kW; (b) pérdida de potencia muy alta a través de una ventana. Un calentador eléctrico de esta potencia puede mantener caliente toda una habitación; (c) Las temperaturas de la superficie de la ventana no difieren en una cantidad tan grande como se supone. La superficie interna será más caliente, y la superficie externa será más fría.