Conseptos Basicos De Termodinamica

Mecanismos y leyes fundamentales de la transferencia de calor

La transferencia de calor

Se define calor como la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. Un análisis termodinámico se interesa en la cantidad de transferencia de calor conforme un sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro.

La ciencia que trata la determinación de las velocidades de esas transferencias de energía es la transferencia de calor. La transferencia de energía como calor siempre se produce del medio que tiene la temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja, y la transferencia de calor se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura.

Figura 1.1: Sentido de la transferencia de calor

El calor puede transferirse en tres modos diferentes:

 Conducción,

 Convección, y

 Radiación.

Todos los mecanismos de transferencia de calor requieren la existencia de una diferencia de temperatura y todos ellos ocurren del medio que posee la temperatura más elevada hacia uno de temperatura más baja.

1.1 Conducción

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de iteraciones entre esas partículas. La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases. En los líquidos y gases la conducción se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de los electrones libres.

La velocidad de la conducción de calor a través de un medio depende de:

 La configuración geométrica

 Espesor del material

 Tipo de material

 Diferencia de temperatura

T1T2qT1 > T2T1T2qT1 T2

Unidad I: Mecanismos y leyes fundamentales de la transferencia de calor

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Considere una conducción de estado estacionario de calor a través de una pared plana grande de

espesor x  L y área A, como se muestra en la figura 1.2 La diferencia de temperatura de uno a

otro lado de la pared es 2 1 T T T .

Figura 1.2: Conducción de calor a través de una pared plana grande de espesor x y área A

La velocidad de la conducción de calor a través de una capa plana es proporcional a la diferencia

de temperatura a través de esta y el área de transferencia de calor, pero es inversamente

proporcional al espesor de esa capa.

  

Espesor

Area Diferencia de temperatura

Velocidad de transferencia de calor 

W 1 2

x

T

kA

x

T T

Q KA cond 



 





  (1-1)

En donde la constante de proporcionalidad k es la conductividad térmica del material.

En el caso límite de x0 la ecuación (1-1) se reduce a la forma diferencial:

W

dx

dT

Q KA cond    (1-2)

La ecuación (1-2) es llamada ley de Fourier de la conducción de calor, en honor de J. Fourier,

quien la expresó por primera vez en su texto sobre transferencia de calor en 1822.

Importante



dx

dT

es el gradiente de temperatura,

 El calor es conducido en la dirección de la temperatura decreciente, y

 El área A de transferencia de calor es perpendicular a las líneas de flujo de calor.

T1

T2

x

A A

Q 

x

Unidad I: Mecanismos y leyes fundamentales de la transferencia de calor

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Conductividad térmica

La conductividad térmica k es una medida de la capacidad de un material para conducir calor. Por

ejemplo, k =0.608 W /m ºC, para el agua y k =80.2 W /m ºC, para el hierro a la temperatura

ambiente. Esto indica que el hierro conduce el calor 100 veces más rápido que el agua.

La conductividad térmica de un material se puede definir como la velocidad de transferencia de

calor a través de un espesor unitario del material por unidad de área por unidad de diferencia

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