Coeficiente De Conductividad

1.- Índice Pág.

1.- Índice…………………………………………………………………………………………………………

2.- Objetivos………………………………………………………………………………………………………

3.- Introducción……………………………………………………………………………………………………

4.- Marco teórico…………………………………………………………………………………………………

5.- Materiales……………………………………………………………………………………………………

6.- Procedimiento…………………………………………………………………………………………………

7.- Cálculos y gráficos…………………………………………………………………………………………

8.- Recomendaciones…………………………………………………………………………………………

9.- Conclusiones………………………………………………………………………………………………

10.- Discusión del experimento……………………………………………………………………………….

11.- Bibliografía………………………………………………………………………………………………

12.- Anexos………………………………………………………………………………………………………

2.- Objetivos:

2.1.- Objetivo general:

- Encontrar el coeficiente de conductividad térmica por conducción “k” para diferentes materiales.

2.1.- Objetivo específico:

- Validar la ecuación de Fourier para la determinación de “k”.

- Estudio de la propagación de calor por conducción de distintos materiales donde se trabajó con hielo.

- Verificar que el medio ambiente también propaga calor al sistema de estudio.

3.- Introducción:

La segunda Ley de la termodinámica presenta variadas connotaciones, el hecho de que si un cuerpo está a una temperatura mayor que otro el primero cederá calor al segundo a éste hecho se lo denomina transferencia de calor o propagación del calor.

TRANSFERENCIA DE CALOR

FIGURA: 1 Sears – Zemansky “Física Universitaria”

Existen tres formas en las que se propaga el calor:

Conducción

Radiación

Convección

El coeficiente de conductividad térmica “k” depende del material y es más elevado entre los metales por tener éstos mayor cantidad de electrones libres. Un conductor perfecto tiene k=∞, mientras que un aislante perfecto tiene k=0.

4.- Marco teórico

4.1. Transferencia de calor:

En física, la transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

4.2.- Flujo de calor

El flujo de calor es la cantidad de calor que pasa por un determinado tiempo y su fórmula es:

H=(△Q)/(△t)…………. (1)

Donde:

H: Flujo de calor [W] △Q: Variación de calor [J] △t: Variación de tiempo [s]

4.3-Ley de Fourier:

Esta ley nos dice que la transferencia de un cuerpo caliente a un cuerpo frío es por conducción y su fórmula es:

……… (2)

Donde:

k: Coeficiente de conductividad térmica [W/ mºC]

A: Área por la cual se propaga el calor [m2]

LEY DE FOURIER

T2 T1

FIGURA: 2 INTERNET “Wikipedia”

Para integrar la ecuación 1, se de identificar a los parámetros constantes y variables, si se trata por ejemplo de analizar una pared plana y espesor constante “x” como se ve en la figura 2, tenemos a A y x como constantes también k es una constante.

Después de haber mantenido las caras de la pared durante tiempo suficiente a las temperaturas T1 y T2, se encuentra que la temperatura en los puntos interiores de la pared disminuye uniformemente con la distancia, desde la cara caliente a lacara fría. Sin embarga en cada punto la temperatura permanece constante y se dice que se halla en un estado estacionario.

Integrando la ecuación 1 tenemos:

H= (△Q)/(△t) = (k.A)/L (T2-T1)……….. (3)

4.4.- Formas de propagación del calor:

Existen tres formas en las que se propaga el calor:

Conducción.- Es el paso de energía entre dos cuerpo en contacto que están a diferentes temperaturas, sin que exista transporte de materia.

Radiación.- Es una forma de propagación de calor por el espacio vacío sin requerir presencia de materia, así por ejemplo el sol.

Convección.- En una forma de propagación de calor que se produce en líquidos y gases

4.5.- Transferencia de calor para paredes en contacto:

Para medir el flujo de calor para varias paredes se lo puede realizar en función de sus resistencias

LEY DE FOURIER

T2 T1

Para evaluar de una manera sencilla el flujo de calor de bloques conectados en paralelo se recomienda la ecuación:

H= (( T_2-T_1))/(∑_1^n▒Ri) …………………………. (4)

4.6.- Medida experimental del calor

Para determinar, de manera directa, el calor que se pone de manifiesto en un proceso de laboratorio, se suele emplear un calorímetro. En esencia, se trata de un recipiente que contiene el líquido en el que se va a estudiar la variación de energía por transferencia de calor y cuyas paredes y tapa (supuestamente adiabáticas) deben aislarlo, al máximo, del exterior.

Un termo de paredes dobles de vidrio, cuyas superficies han sido previamente metalizadas por deposición y que presenta un espacio vacío entre ellas es, en principio, un calorímetro aceptable para una medida aproximada de la transferencia de calor que se manifiesta en una transformación tan sencilla como esta. El termo se llama vaso Dewar y lleva el nombre del físico y químico escocés James Dewar, pionero en el estudio de las bajas temperaturas.

4.7.- Flujo de calor del medio ambiente: ((m_2 ) ̇)

Un cuerpo que se halla en el medio ambiente éste recibe calor del medio en el cual se encuentra por convección, radiación y conducción, el cual se puede encontrar experimentalmente dejando un bloque de hielo en estado de derretimiento en el cual se mide la cantidad de agua que se derrite entre el tiempo transcurrido.

(m_2 ) ̇ = (△m_1)/(△t) …………. (5)

4.8.- Coeficiente de conductividad térmica

El coeficiente de conductividad térmica es una característica de cada sustancia y expresa la magnitud de su capacidad de conducir el calor. Su símbolo es la letra griega λ.

En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en vatio / metro × kelvin (W/(m•K)), en kilocaloría / hora × metro × kelvin (kcal/(h•m•K)) en el sistema técnico, y en BTU / hora × pie × Fahrenheit (BTU/(h•ft•°F)) en el sistema anglosajón.

El coeficiente de conductividad térmica expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras planoparalelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias.

Este coeficiente varía con las condiciones del material (humedad que contiene, temperatura a la que se hace la medición), por lo que se fijan condiciones para hacerlo, generalmente para material seco y 15 °C (temperatura media de trabajo de los materiales de construcción) y en otras ocasiones, 300 K (26,84 °C).

Se calcula mediante la expresión:

K = (λ_FUSIÓN.L)/(A.(T_2-T_1)) . ((m_T ) ̇-(m_2 ) ̇)………….. (6)

Donde: k: Coeficiente de conductividad de la pieza de prueba.

L: Espesor de la pieza de prueba por la cual se propaga el calor por conducción

A: Área de la base de hielo que entra en contacto con la pieza de prueba.

T2: Temperatura de ebullición del agua en el lugar donde se realiza el experimento.

T1: Temperatura de fusión del hielo en proceso de derretimiento.

(M_T ) ̇:Masa de hielo por unidad de tiempo que se derrite por la pieza y el medio.

(m_2 ) ̇: Masa de hielo por unidad de tiempo que se derrite por el medio ambiente.

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