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Mecanismos de Transferencia de Calor
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INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO
SANTIAGO MARIÑO
EXTENSIÓN MARACAY
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Presentado por:
José Vásquez
CI: 27.611.147
Carrera 45-Ing. Industrial
Introducción
La transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura, según Cengel, 2020 “el calor es la forma de la energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia en la temperatura. La transferencia de energía por flujo de calor no puede ser medida directamente, pero el concepto tiene un significado físico porque está relacionado con la cantidad medida llamada temperatura. En los estudios de transferencia de calor, es común considerar tres modos diferentes de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
MECANISMOS
Explicación
En física, la transferencia de calor es un proceso donde existe un intercambio de energía de manera que el calor entre diferentes cuerpos o partes. Este se puede transferir de tres maneras, ya sea por convección, radiación o conducción. La convección consiste en un modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente que se encuentra en movimiento. La radiación es la energía emitida por la materia en forma de fotones u ondas electromagnéticas. Y por último la conducción donde la transferencia de energía sucede entre sólidos.
INTRODUCCIÓN
Presentado por:
José Vásquez
CI: 27.611.147
Carrera 45-Ing. Industrial
CONDUCCIÓN
Conducción
En el nivel atómico, los átomos de las regiones más calientes tienen más energía cinética, en promedio, que sus vecinos más fríos, así que empujan a sus vecinos, transfiriéndoles algo de su energía. Los vecinos empujan a otros vecinos, continuando así a través del material. Los átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero su energía sí.
Sólo hay transferencia de calor entre regiones que están a diferente temperatura, y la dirección de flujo siempre es de la temperatura más alta a la más baja. La figura de la izquierda muestra una varilla de material conductor con área transversal A y longitud L. El extremo izquierdo de la varilla se mantiene a una temperatura TH, y el derecho, a una temperatura menor TC, así que fluye calor de izquierda a derecha. Los costados de la varilla están cubiertos con un aislante ideal, así que no hay transferencia de calor por los lados.
Si se transfiere una cantidad de calor dQ por la varilla en un tiempo dt, la tasa de flujo de calor es dQ/dt. Llamamos a ésta la corriente de calor, denotada por H. Es decir, H = dQ/dt. Se observa experimentalmente que la corriente de calor es proporcional al área transversal A de la varilla y a la diferencia de temperatura (TH-TC), e inversamente proporcional a la longitud de la varilla L. Introduciendo una constante de proporcionalidad k llamada conductividad térmica del material, tenemos:
Donde:
H= Corriente de calor en conducción
Q = Calor
t = Tiempo
L = Largo
TH = Temperatura mayor
TC = Temperatura menor
k = Conductividad térmica
A = Área
La cantidad (TH-TC)/L es la diferencia de temperatura por unidad de longitud, llamada gradiente de temperatura. El valor numérico de k depende del material de la varilla. Los materiales con k grande son buenos conductores del calor; aquellos con k pequeña son conductores o aislantes deficientes. La ecuación también da la corriente de calor que pasa a través de una plancha, o por cualquier cuerpo homogéneo con área transversal A uniforme y perpendicular a la dirección de flujo; L es la longitud de la trayectoria de flujo del calor. Las unidades de corriente de calor H son unidades de energía por tiempo, es decir, potencia; la unidad SI de corriente de calor es el watt (1 W = 1 J/s). Podemos determinar las unidades de k despejándola de la ecuación. Verifique que las unidades sean W/m · K. En la tabla se dan algunos valores de k.
Convección
CONVECCIÓN
La convección es transferencia de calor por movimiento de una masa de fluido de una región del espacio a otra. Como ejemplos conocidos tenemos los sistemas de calefacción domésticos de aire caliente y de agua caliente, el sistema de enfriamiento de un motor de combustión y el flujo de sangre en el cuerpo. Si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se llama convección forzada; si el flujo se debe a diferencias de densidad causadas por expansión térmica, como el ascenso de aire caliente, el proceso se llama convección natural o convección libre. La convección libre en la atmósfera desempeña un papel dominante en la determinación del estado del tiempo, y la convección en los océanos es un mecanismo importante de transferencia global de calor. En una escala menor, los halcones que planean y los pilotos de planeadores, aprovechan las corrientes térmicas que suben del suelo caliente. El mecanismo de transferencia de calor más importante dentro del cuerpo humano (necesario para mantener una temperatura casi constante en diversos entornos) es la convección forzada de sangre, bombeada por el corazón. La transferencia de calor convectiva es un proceso muy complejo, y no puede describirse con una ecuación simple. Veamos algunos hechos experimentales:
La corriente de calor causada por convección es directamente proporcional al área superficial. Esto explica las áreas superficiales grandes de los radiadores y las aletas de enfriamiento.
La viscosidad de los fluidos frena la convección natural cerca de una superficie estacionaria, formando una película superficial que, en una superficie vertical, suele tener el mismo valor aislante que tiene 1,3 cm de madera terciada (valor R = 0,7). La convección forzada reduce el espesor de esta película, aumentando la tasa de transferencia de calor. Esto explica el “factor de congelación”: nos enfriamos más rápidamente en un viento frío que en aire tranquilo a la misma temperatura.
La corriente de calor causada por convección es aproximadamente proporcional a la potencia 5 de la diferencia de temperatura entre la superficie y el cuerpo 4 principal del fluido.
Ley de Enfriamiento de Newton
La ley del enfriamiento de Newton o enfriamiento newtoniano establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores. Fue determinado experimentalmente por Isaac Newton analizando el proceso de enfriamiento y para él la velocidad de enfriamiento de un cuerpo cálido en un ambiente más frío Tm, cuya temperatura es T, es proporcional a la diferencia entre la temperatura instantánea del cuerpo y la del ambiente. 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:
A = Área del cuerpo
α = Coeficiente de intercambio de calor, depende de la forma geométrica del cuerpo.
T = Temperatura del cuerpo en un tiempo t
Ta = Temperatura ambiente
Q = Calor transferido
m = Masa
Ce = Calor específico
t = Tiempo
T0 = Temperatura inicial del cuerpo
RADIACIÓN
Radiación
La radiación es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas como la luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta. Todos hemos sentido el calor de la radiación solar y el intenso calor de un asador de carbón, o las brasas de una chimenea. Casi todo el calor de estos cuerpos tan calientes no nos llega por conducción ni por convección en el aire intermedio, sino por radiación. Habría esta transferencia de calor, aunque sólo hubiera vacío entre nosotros y la fuente de calor
Todo cuerpo, aun a temperaturas ordinarias, emite energía en forma de radiación electromagnética. A temperaturas ordinarias, digamos 20 °C, casi toda la energía se transporta en ondas de infrarrojo con longitudes de onda mucho mayores que las de la luz visible.
Al aumentar la temperatura, las longitudes de onda se desplazan hacia valores mucho menores. A 800 °C, un cuerpo emite suficiente radiación visible para convertirse en objeto luminoso “al rojo vivo”, aunque aun a esta temperatura la mayoría de la energía se transporta en ondas de infrarrojo. A 3000 °C, la temperatura de un filamento de bombilla incandescente, la radiación contiene suficiente luz visible para que el cuerpo se vea “al rojo blanco”.
La tasa de radiación de energía de una superficie es proporcional a su área superficial A, y aumenta rápidamente con la temperatura, según la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin). La tasa también depende de la naturaleza de la superficie; esta dependencia se describe con una cantidad e llamada emisividad: un número adimensional entre 0 y 1 que representa la relación entre la tasa de radiación de una superficie dada y la de un área igual de una superficie radiante ideal a la misma temperatura. La emisividad también depende un poco de la temperatura. Así, la corriente de calor H= dQ/dt debida a radiación de un área superficial A con emisividad e a la temperatura absoluta T se puede expresar como:
Donde:
H = Tasa de radiación
A = Área
e = Coeficiente de emisividad
T = Temperatura del cuerpo
Ts = Temperatura ambiente
Hnet= Tasa neta de radiación
σ = Constante de Stefan-Boltzmann
Constante de Stefan-Boltzmann
Conclusiones
El calor se transmite de tres formas. El calor se transmite a través de las superficies sólidas, lo que se conoce por transferencia por conducción.
En el espacio o ambiente que rodea a un cuerpo caliente, el calor también se transmite de un punto a otro. El aire que se pone en contacto con el cuerpo caliente, a su vez se calienta, y se hace menos denso (más ligero) y crea un potencial de circulación de flujo desde el punto más caliente al más frio, éste último, donde el aire tiene una densidad mayor. Así el calor se transporta con la corriente de aire que circula. A esta forma de transmisión se le conoce por convección.
Los cuerpos calientes emiten radiaciones calóricas. Las podemos observar cuando guiamos el auto o coche en pleno verano, con altas temperaturas, como la superficie de la vía o carretera radia calor al ambiente. Y si nos acercamos a un horno de fusión de metal, en zonas de poco o sin aislamiento, hay momentos en que no podemos seguir avanzando pues el nivel de radiación es tal que el cuerpo humano no soporta tan altos valores de temperatura. En estos ejemplos, el calor se transmite por radiación.
Cada una de estas formas o procesos de transmisión del calor, obedecen a leyes físicas y se pueden medir. Por lo tanto, también podemos calcularlas y conocer cuánto calor se transmite.
Presentado por:
José Vásquez
CI: 27.611.147
Carrera 45-Ing. Industrial
BIBLIOGRAFÍA
Referencias Bibliográficas
Young, H. D., Freedman, R. A., & Flores, V. A. (2009). Física Universitaria. Sears-Zemansky (Vol 1). México: Pearson Educación.
https://repository.uaeh.edu.mx/revistas/index.php/tepexi/issue/archive.
Boletín Científico de la Escuela Superior Tepeji del Río Publicación semestral, Vol. 8, No. 16 (2021) Mecanismos de Transferencia de Calor.
Alumno:
Vásquez, José
CI: 27.611.147
Carrera: 45-Ing. Industrial