Tranferencia De Calor En Paredes Planas

UNIDAD I. METODOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

1.1.- RELACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR CON LA TERMODINÁMICA

Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema, o siempre que dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto, se transfiere energía. El proceso mediante el cual se transporta la energía se conoce como transferencia de calor, donde lo que se transfiere recibe el nombre de calor, y no puede medirse u observarse de manera directa, pero sí los efectos que produce. El flujo de calor, al igual que la realización de trabajo, es un proceso mediante el cual se modifica la energía inicial de un sistema.

La rama científica que se ocupa de la relación entre el calor y otras formas de energía se denomina termodinámica. Sus principios, al igual que todas las leyes de la naturaleza, se basan en observaciones y se han generalizado en forma de leyes supuestamente válidas para todos los procesos que ocurren en la naturaleza porque no se han encontrado excepciones. El primero de estos principios, la primera ley de la termodinámica, establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de una forma a otra y rige de forma cuantitativa todas las transformaciones energéticas sin imponer restricciones en la dirección de la transformación. Sin embargo, la experiencia ha mostrado que toda transformación cíclica cuyo único fin sea el de transferir una cantidad efectiva de calor de una región de mayor temperatura a otra de menor temperatura, es imposible. Este enunciado de certeza experimental se conoce como la segunda ley de la termodinámica.

Todos los procesos de transferencia de calor implican transporte y la conversión de la energía. Por consiguiente, deben obedecer tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica. A primera vista, resultaría tentador suponer que los principios de la transferencia de calor se pueden derivar de las leyes básicas de la termodinámica, pero esta conclusión sería errónea, porque la termodinámica clásica se limita principalmente al estudio de los estados de equilibrio, incluidos los mecánicos, químicos y térmicos y, por consiguiente, por sí misma, es de poca ayuda para determinar cuantitativamente las transformaciones que ocurren por la falta de equilibrio en los procesos de ingeniería. Puesto que el flujo de calor es el resultado de un desequilibrio térmico, su tratamiento cuantitativo ha de basarse en otras ramas científicas. El mismo razonamiento se aplica a otros tipos de procesos de transporte como la transferencia y la difusión de masa.

LÍMITES DE LA TERMODINÁMICA CLÁSICA La termodinámica estudia los estados de sistemas desde un punto de vista microscópico y no formulan hipótesis sobre la estructura de la materia. Para realizar un análisis termodinámico es necesario describir el estado de un sistema en función de atributos macroscópicos, tales como presión, volumen y temperatura, que se pueden medir directamente y que no implican suposiciones especiales de la estructura de la materia. Estas variables o propiedades termodinámicas son de importancia para el sistema en su conjunto sólo cuando son uniformes en todo él, es decir, cuando el sistema está en equilibrio. Por lo tanto, la termodinámica clásica no se ocupa de los detalles del proceso sino de los estados de equilibrio y de las relaciones entre ellos. Los procesos empleados en un análisis termodinámico son procesos idealizados concebidos para que proporcionen información sobre los estados de equilibrio.

Desde el punto de vista termodinámico, la cantidad de calor transferida durante un proceso simplemente es igual a la diferencia entre el cambio de energía interna del sistema y el trabajo realizado. Es evidente que este tipo de análisis no considera el mecanismo de flujo de calor ni el tiempo necesario para la transferencia del calor, simplemente determina cuánto calor hay que suministrar o extraer de un sistema durante un proceso entre estados especificados sin considerar, si, o cómo, podría ocurrir esto, El hecho de que no es posible obtener información de un análisis termodinámico se deriva de la ausencia del tiempo como variable. La pregunta de cuánto tiempo se llevaría transferir una cantidad específica de calor, aunque es de gran importancia práctica, no suele aparecer en el análisis termodinámico.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN INGENIERÍA Desde un punto de vista ingenieril, el problema clave es determinar la razón de transferencia de calor para una diferencia de temperatura específica. Para estimar el costo, la factibilidad y el tamaño del equipo necesario para transferir una cantidad determinada de calor en un tiempo dado, habrá que realizar un detallado análisis de transferencia de calor. Las dimensiones de calderas, calentadores, refrigeradores e intercambiadores de calor dependen no sólo de la cantidad de calor por transmitir sino también de la razón a la cual se va a transferir el calor en condiciones dadas. La operación adecuada de los componentes del equipo tales como las aspas de una turbina o las paredes de cámaras de combustión depende de la posibilidad de enfriar ciertas partes metálicas mediante la remoción continua del calor de una superficie a una razón de cambio rápida. Para el diseño de máquinas eléctricas, transformadores y cojinetes también se debe realizar un análisis de transferencia de calor para evitar condiciones que sobrecalienten y dañen el equipo. Estos ejemplos muestran que casi cualquier rama de la ingeniería encuentra problemas de transferencia de calor que no son posibles de resolver mediante el puro razonamiento termodinámico sino que requieren de un análisis basado en la ciencia de la transferencia de calor.

En la transferencia de calor, como en otras ramas de la ingeniería, la solución exitosa de un problema requiere de suposiciones e idealizaciones, pues resulta casi imposible describir los fenómenos físicos con exactitud, y para expresar un problema en forma de una ecuación con solución es necesario hacer algunas aproximaciones. Por ejemplo, en cálculos de circuitos eléctricos, casi siempre se supone que los valores de las resistencias, capacitancias e inductancias son independientes de la corriente que fluye por ellas. Esta suposición simplifica el análisis aunque en ciertos casos puede limitar severamente la precisión de los resultados.

Al interpretar los resultados finales, es importante tener en cuenta las idealizaciones y las aproximaciones hechas en el curso del análisis. En ocasiones, insuficiente información sobre las propiedades físicas hace necesario utilizar aproximaciones de ingeniería para resolver un problema. Por ejemplo, en el diseño de partes mecánicas que operan a temperaturas elevadas puede resultar necesario estimar el límite proporcional o la resistencia a la ruptura del material con los datos a baja temperatura. Para garantizar el funcionamiento satisfactorio de una pieza particular, el diseñador deberá aplicar un factor de seguridad a los resultados obtenidos con el análisis. Aproximaciones similares también son necesarias en los problemas de transferencia de calor. Las propiedades físicas, como la conductividad térmica o la viscosidad, cambian con la temperatura, pero si se eligen valores promedio apropiados, los cálculos se simplifican considerablemente sin introducir un error apreciable en el resultado final. Cuando se transfiere calor de un fluido a una pared, como en una caldera, se forman incrustaciones por la operación continua que reducen la razón de flujo de calor. Para garantizar la operación satisfactoria por mucho tiempo, se debe aplicar un factor de seguridad que considere esta contingencia.

Cuando se hace necesario hacer una suposición o aproximación en la solución de un problema, el ingeniero debe confiar en su ingenio y experiencia. No existen guías simples para la solución de problemas nuevos o inexplorados y una suposición válida para un problema puede no serio en otro. Sin embargo, la experiencia ha demostrado, que el primer requisito para hacer buenas suposiciones o aproximaciones de ingeniería es un entendimiento completo del problema. En el campo de la transferencia de calor, esto significa conocimiento no sólo de las leyes y mecanismos físicos de transferencia de calor sino también de las leyes y mecanismos físicos de la mecánica de fluidos, la física y las matemáticas.

La transferencia de calor puede definirse como la transmisión de energía de una región a otra, como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ellas. Puesto que existen diferencias de temperatura en todo el universo, los fenómenos de flujo de calor son tan usuales como los asociados con las atracciones gravitacionales. Sin embargo, a diferencia de la gravedad, el flujo de calor no se rige por una relación única sino por una combinación de varias leyes físicas independientes.

Las obras de transferencia de calor suelen reconocer tres modos distintos de transmisión de calor: conducción, radiación y convección. En rigor, sólo la conducción y la radiación debieran clasificarse como procesos de transferencia de calor, porque sólo estos dos mecanismos dependen de la simple existencia de un desequilibrio térmico. Por su parte, la convección no satisface de manera estricta la condición de transferencia de calor porque su operación también depende del transporte mecánico de masa. Pero como la convención también transmite energía de regiones con mayor temperatura a regiones con menor temperatura, se ha adoptado el término "transferencia de calor por convención"

En las tres secciones siguientes se analizarán las

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