Informe Laboratorio N°1 Transferencia de Calor

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Informe Laboratorio N°1 Transferencia de Calor
“Estudio de la conducción unidimensional a lo largo de una barra metálica”

Nombre:         Pedro Pablo Oyarzún Oyarzún
Profesora:        Carolina Reyes
Asignatura:        Laboratorio de Transferencia de Calor

Objetivo del Laboratorio: Determinar el coeficiente de conductividad térmica de la barra metálica utilizada y calcular el calor transmitido por conducción a lo largo del elemento.

Introducción

        El siguiente informe trata sobre la experiencia realizada en el laboratorio, en el cual se utilizo dos litros y medio de agua para el recipiente, y ochocientos ml. De agua para el calorímetro, la cual en los dos casos estaba a 15°C, para luego aplicarle calor con un mechero conectado a la línea de gas y finalmente obtener una transferencia de calor estable en la barra metálica para poder calcular de forma más exacta el coeficiente de conductividad térmica y el calor transmitido por conducción a lo largo de la barra metálica.

Marco Teórico

        De la experiencia cotidiana observamos que si se sujeta el extremo de una barra metálica, como por ejemplo una cuchara, y se coloca el otro en una llama, el extremo que se sostiene se calienta de a poco, aunque no esté en contacto directo con la llama. El calor llega al extremo más frío por conducción a través del material. A nivel atómico, los átomos de las regiones más calientes tienen en promedio más energía cinética que sus vecinos más fríos, así que los empujan y les dan algo de su energía. Los vecinos empujan a sus vecinos, continuando así a través del material. Los átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero la energía sí se propaga por difusión.

        Sólo fluye calor entre regiones que están a diferentes temperaturas, y la dirección del flujo siempre es de la temperatura más alta, TH, a la más baja, TC. Si se transfiere una cantidad de calor dQ en un tiempo dt, la razón de flujo de calor, es dQ/dt, y se la llama tasa de calor. Introduciendo una constante de proporcionalidad k, llamada conductividad térmica del material, para una barra de longitud L y área transversal A, tenemos:

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        La validez de la ecuación anterior, exige que la barra debiera estar aislada de forma de no transferir calor por sus lados al medio circundante. Si la temperatura varía de manera no uniforme a lo largo de la varilla conductora, introduciendo una coordenada x a lo largo de la barra y generalizando el gradiente de temperatura como dT/dx, entonces el flujo de calor es:

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        El signo negativo indica que el calor siempre fluye en la dirección de temperatura decreciente.

        En este experimento estudiaremos cómo es la distribución de temperaturas en una barra de aluminio, que transfiere calor de un extremo a otro por conducción a través de su sección transversal constante, manteniendo su superficie externa debidamente aislada del ambiente.

        Para determinar el coeficiente de conductividad térmica se utilizará la ecuación de conductividad térmica unidimensional más la hipótesis de que todo el calor se transmite por conducción y es entregado al agua del recipiente pequeño. La ecuación para el segundo fenómeno será:

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        Finalmente, combinando las ecuaciones del calor conductivo y el calor añadido al agua del calorímetro, el valor de “k” es:

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Equipos empleados

•  Equipo experimental de conducción
•  Termocuplas
• Mechero
• Calorímetro
• Barra metálica
• Aislante
• Cinta adhesiva
• Regla o cinta métrica

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Procedimiento y desarrollo

        En primer lugar, colocamos un extremo de la barra de aluminio en un recipiente con agua hirviendo (100°C) y dejamos el otro extremo sumergido en un calorímetro con agua a temperatura ambiente. Se considera un mechero para mantener constante la condición de ebullición del agua. Dejamos que el sistema se estabilice y con una termocupla previamente calibrada, medimos la temperatura de la barra de 40 cm de largo desde el recipiente hasta el extremo sumergido en el calorímetro en intervalos de 10 cm. Para conseguir un mejor contacto, sujetamos la termocupla a la barra en cada punto con cinta adhesiva. Espere un tiempo prudente, en espera de que el sistema alcance el régimen permanente.

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Datos obtenidos en el Laboratorio:

Los datos obtenidos en el laboratorio se clasificaran en tablas que ya vienen estipuladas en la guía práctica del laboratorio, lo cual nos queda de la siguiente forma:

Calculando los k: que es el coeficiente de conductividad térmica.

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Donde:        

        magua= 3.3 kilos de agua
        (T6,f – T6-i)= 302.9-293.9 = 9
        Cagua= 4180 [J / K*kg] 
        L4-5: Largo entre 4-5 = 0.73 [m]
        Diámetro de la barra= 13 mm

Como entre 23.7 °C y 30.5 °C el calor específico del agua tiene una variación que no es de gran magnitud usare un aproximado de         Cagua= 4180 [J / K*kg]

Ahora teniendo los K podremos con los datos de las temperaturas obtenidos en el laboratorio calcular el flujo de calor conductivo con la siguiente fórmula:

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