miércoles, 3 de julio de 2024

Biofísica 3 Termodinámica (20) OM 8. Trasmisión de calor

 Sean dos recipientes cúbicos A y B conteniendo hielo. Las paredes son adiabáticas, salvo la superior que está expuesta al aire. Los cubos de hielo están a una temperatura inicial de 0 ºC y la arista del cubo A es la mitad de la del cubo B. En el mismo lapso en que el cubo A se funde totalmente, la masa de B que se funde es:

 

    a) toda.

     b) la cuarta parte de su masa inicial.

  c) la mitad de su masa inicial.

   d) la octava parte de su masa inicial.

   e) la décima parte de su masa inicial.

   f) la tercera parte de su masa inicial.

 

 

Cubo A

 

Q/Δt = - k A ΔT / x (Ley de Fourier)

 

 donde

Q/Δt = flujo de calor

Q = calor absorbido por el cubo = MA L

MA = masa del cubo = VA δ

VA = Volumen del cubo A

δ = densidad del hielo

Lf = calor latente de fusión del hielo

Δt = intervalo de tiempo (igual para los dos cubos)

k = constante de conductividad térmica del hielo

AA = área superior del cubo A

ΔT = variación de la temperatura (igual para ambos cubos, ambos están a 0 ºC y en contacto con la temperatura ambiente)

x = espesor

 

Reemplazando

VA δ Lf  / Δt  = - k  AA ΔT / x

 

Despejando Δt

Δt = VA δ Lf x / (- k AA ΔT)

 

 

Cubo B

 

QB/Δt = - k AB ΔT / x (Ley de Fourier)

 

Donde

QB/Δt = flujo de calor

QB = calor absorbido por el cubo = Mb Lf

Mb = masa derretida del cubo B = Vb δ

Vb = volumen derretido del cubo B

AB = área superior del cubo B

 

Reemplazando

Vb = (- k AB ΔT / x)  VA δ Lf x / (- k AA ΔT) / δ = AB VA / AA

 

 

Con

xA = arista A = 1/2 arista B = 1/2 xB

AA = Area superior A = (xA)^2 = (1/2 xB)^2 = 1/4 (xB)^2 = 1/4 AB

VA = Volumen A = (xA)^3 = (1/2 xB)^3 = 1/8 (xB)^3 = 1/8 Volumen B = 1/8 VB

 

 

Reemplazando

Vb = AB (1/ 8) VB / (1/ 4 AB)) = 1/ 2 VB

 

El volumen derretido es 1 / 2 del volumen total de B

 

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