Examen de Física II UPC 2016 · Parcial (Primera Parte) - 11 de Abril de 2016

Teoría. Cuestión conceptual

Desarrolle, en una extensión máxima equivalente a una cara DIN A4, el siguiente tema teórico:

a. Calor específico y su estrecha relación con el fenómeno de la inercia térmica.

Teoría. Cuestión conceptual

Desarrolle, en una extensión máxima equivalente a una cara DIN A4, el siguiente tema teórico:

b. Magnitudes físicas fundamentales asociadas al movimiento ondulatorio y mecanismos de transporte de energía en las ondas.

Teoría. Cuestión conceptual

Desarrolle, en una extensión máxima equivalente a una cara DIN A4, el siguiente tema teórico:

c. Evaluación subjetiva de la sensación auditiva: justificación física y fisiológica de la escala logarítmica.

Teoría. Cuestión conceptual

Desarrolle, en una extensión máxima equivalente a una cara DIN A4, el siguiente tema teórico:

d. Definición del campo de reverberación y análisis de su relevancia en acústica arquitectónica.

1. Teoría (10 puntos). Cuestión conceptual a elegir

Desarrolle, en una extensión máxima equivalente a una cara DIN A4, el siguiente tema teórico:

e. Radiación térmica de los cuerpos incandescentes: el concepto físico de cuerpo negro y fundamentos de las superficies espectralmente selectivas.

Escriba su desarrollo en el recuadro a continuación o elabórelo en papel según las pautas de examen.

1. Teoría (10 puntos). Cuestión conceptual a elegir

Desarrolle, en una extensión máxima equivalente a una cara DIN A4, el siguiente tema teórico:

f. Mecanismo físico del efecto invernadero: análisis a escala planetaria y aplicación en el diseño bioclimático de edificios.

Escriba su desarrollo en el recuadro a continuación o elabórelo en papel según las pautas de examen.

Problema 1 (15 puntos). Propagación del calor

Una vivienda de geometría paralelepípeda posee una planta de $10\text{ m} \times 8\text{ m}$ y una altura libre de $3\text{ m}$.

Se consideran las siguientes propiedades térmicas en la envolvente:

Cubierta (techo): transmitancia térmica $U_{\text{techo}} = 0{,}5\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$.

Contacto con forjado sanitario (suelo): transmitancia térmica $U_{\text{suelo}} = 0{,}6\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$.

Las paredes verticales exteriores se distribuyen en un $80\%$ de superficie opaca y un $20\%$ de ventanas vidriadas.

La composición de los cerramientos opacos, desde el interior hacia el exterior, consta de un muro de ladrillo de $25\text{ cm}$ de espesor y una capa continua de aislamiento de $5\text{ cm}$.

Coeficientes de convección superficial: interior $h_i = 10\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$ y exterior $h_e = 20\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$.

Coeficiente total de transmisión de las ventanas: $U_v = 5\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$.

Propiedades de los materiales:

Conductividad térmica del ladrillo: $k_l = 1\text{ W}/(\text{m}\cdot\text{K})$.

Conductividad térmica del aislamiento: $k_a = 0{,}05\text{ W}/(\text{m}\cdot\text{K})$.

Durante el invierno, la temperatura media exterior es $T_e = 8\ ^\circ\text{C}$ y se desea mantener el ambiente interior a $T_i = 21\ ^\circ\text{C}$. Se pide determinar:

a)

Las temperaturas alcanzadas en todas las superficies de contacto o separación entre materiales en la parte opaca de las paredes verticales (superficie interior del ladrillo, interfase ladrillo-aislante y superficie exterior del aislante).

b)

El consumo de energía total preciso durante un mes de 30 días para conservar la temperatura interior fijada. Exprese el valor final en $\text{kWh}$.

c)

El ahorro energético mensual (en $\text{kWh}$) que se obtendría si se sustituyen los huecos por ventanas mejoradas de transmitancia reducida a $2{,}5\text{ W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$.

Problema 2 (15 puntos). Acústica

Una sala de planta rectangular tiene unas dimensiones de base de $10\text{ m} \times 8\text{ m}$ y una altura de $6\text{ m}$.

Los coeficientes de absorción acústica de sus cerramientos son:

Techo: $\alpha_{\text{techo}} = 0{,}10$.

Suelo: $\alpha_{\text{suelo}} = 0{,}30$.

Paredes laterales: $\alpha_{\text{pared}} = 0{,}05$.

En el centro de una de las paredes de $60\text{ m}^2$ (pared de $10\text{ m} \times 6\text{ m}$) existe una ventana acristalada de $8\text{ m}^2$, la cual, encontrándose cerrada, presenta el mismo coeficiente de absorción que el paramento ($\alpha_v = 0{,}05$).

a)

Calcule el tiempo de reverberación de la sala con la ventana cerrada.

b)

Se desea acortar dicho tiempo de reverberación en un 20% disponiendo sobre parte del techo un material acústico absorbente cuyo coeficiente es $\alpha_{\text{nuevo}} = 0{,}45$. ¿Qué superficie de techo es preciso cubrir?

c)

Si manteniendo la configuración original (sin el nuevo material absorbente en el techo) se abre completamente la ventana al exterior ($\alpha_{\text{abierta}} = 1$), ¿cuál será el nuevo tiempo de reverberación del recinto?

Problema 3 (15 puntos). Luz

Una sala de base rectangular mide $5\text{ m} \times 6\text{ m}$ y tiene una altura de $3\text{ m}$. En el punto central de una de las paredes de $15\text{ m}^2$ (pared de $5\text{ m} \times 3\text{ m}$) se sitúa un cuadro que exige, para su idónea contemplación, una iluminancia de $150\text{ lux}$ de luz directa proveniente de un foco emisor.

a)

Determine la intensidad luminosa (en candelas) que debe emitir una fuente puntual omnidireccional situada en el centro geométrico del techo.

b)

Si la obra expuesta es de formato cuadrado y lado $1\text{ m}$, calcule la iluminancia en sus vértices superiores e inferiores bajo la luz del citado foco.

c)

Con el propósito de lograr los $150\text{ lux}$ de luz directa en el centro del cuadro mediante iluminación natural, se proyecta un difusor cuadrado de vidrio de ventana tipo Lambertiano de superficie $1\text{ m}^2$, situado en el eje vertical de simetría de la pared del cuadro y en contacto con la arista superior (tocando el techo). Calcule la luminancia uniforme que debe exhibir dicho difusor.