domingo, 11 de abril de 2010

Problema Miguel Angel Domiguez

Si una barra pequeña cuya temperatura inicial es de 20 ºC, se deja caer en un recipiente con agua hirviente, ¿Cuánto tiempo tardara en alcanzar 98 ºC si se sabe que su temperatura aumento 2 ºC en un segundo? ¿Cuánto tiempo tardo en llegar a 90 ºC?

La ecuación auxiliar relacionada con el problema es la ley de enfriamiento de Isaac Newton, a continuación una pequeña descripción de la ley:

“Cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por conducción, convección y radiación es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio externo.”

Donde:


K = Constante de proporcionalidad
T(t) = Temperatura del Objeto
Tm = Temperatura Ambiente
Solución:


Escribimos los datos que conocemos o el problema nos indica:

T(0) = 20ºC
T(1) = 22ºC
T(x) = 98ºC

Como el medio que rodea al objeto es el agua hirviente Tm = 100ºC que es el punto de ebullición del agua.

Sustituimos el valor de Tm que es el que conocemos en la ecuación de la Ley de enfriamiento:


Despejando llegamos a una ecuación separable:

El siguiente paso es integrar ambos lados de la ecuación:

El resultado de la integral es:

Con la finalidad de eliminar el logaritmo, multiplicamos ambos lados de la ecuación por el exponencial:

Por lo tanto la ecuación se reduce a:

Despejamos T para obtener nuestra solución general

Ahora buscamos la solución particular:

Evaluamos en el segundo 1 y con la temperatura a 22°C ya que la temperatura inicial es 20°C

Obtenemos la constante k

Obtenemos el tiempo que tarda en llegar a 98°C

Para la segunda pregunta el proceso es similar, solo cambia la variable T, ahora vale 90.


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