Transferencia De Energia Calorifica

Transferencia de energía calorífica.

La energía calorífica se transmite por conducción, convección y radiación.

La conducción: ocurre cuando la energía calorífica pasa a través de un material como resultados de las colisiones entre las moléculas del mismo. Cuanto mas caliente este un material, mayor será la Energía cinética promedio de sus moléculas. Cuando existe una diferencia de temperatura entre materiales que están en contacto, las moléculas con mayor energía en la sustancia que se encuentra mas caliente transferirán energía a las moléculas con menor energía en la sustancia mas fría debido a las colisiones moleculares que ocurren entre las dos sustancias. Entonces la energía calorífica fluye de lo caliente a lo frio.

Consideremos una plancha (losa) de material como se indica en la figura. De espesor L, y área A en la sección transversal: las temperaturas en las dos caras son T_1 y T_2 , de tal forma que la diferencia de temperatura en la placa es ∆T=T_1-T_2 ,

A la cantidad o razón ∆T/L , se le llama gradiente de temperatura. Ésta corresponde a la razón de cambio de la temperatura con la distancia.

La cantidad de calor transferida de la cara 1 a la 2 en un tiempo ∆t esta dado por: ∆Q/∆t=kA ∆T/L , donde K depende de las propiedades del material de la placa y se llama “conductividad térmica del material”. En el sistema SI, K tiene unidades W/(mKº) y ∆Q/∆t esta dado en J/s=Watt

Otras unidades que con frecuencia se utilizan para expresar a K están relacionadas con W/(mkº) de la siguiente manera:

1cal/(s cm ºC)=418,4 W/(mkº) y (1Btu .in)/(hr 〖ft〗^2ºF)=0,144 W/(mkº)

La resistencia térmica (o valor R) de una losa se define por la ecuación de flujo de calor de la siguiente forma:

∆Q/∆t=A ∆T/R

Donde; R=L/K

Sus unidades en el sistema SI son (m^2 K)/W , las unidades más comunes son: (〖pie〗^2 h ºF)/Btu , donde 1 (〖pie〗^2 h ºF)/Btu=0,176 (m^2 K)/W ( no confundir el símbolo R con la constante universal de los gases ideales)

Si tenemos varias losas o placas que están en contacto entre si (combinación en serie) con la misma área en sus caras laterales, el valor de R de la combinación esta dado por:

R=R_1+R_2+⋯…………….R_n

Donde R_i , son los valores de R de cada una de las losas o placas.

La convección: de la energía calorífica ocurre cuando un material caliente se transporta de tal forma que desplaza a un material frio. Ejemplos típicos son el flujo de aire caliente desde una plancha en un sistema de calentamiento y el flujo de agua templada de la corriente del golfo.

La radiación, es la forma en que es trasladad la energía calorífica a través del vacío y el espacio libre entre moléculas. Este es un fenómeno ondulatorio de radiación electromagnética cuya naturaleza se discutirá en otro capitulo.

Un cuerpo negro es un cuerpo que absorbe toda la energía radiante que incide sobre el. En equilibrio térmico, un cuerpo emite una cantidad de energía igual a la que absorbe. Por lo tanto, un buen captador de radiación es también un buen emisor de radiación.

Supongamos que una superficie de área A , tiene una temperatura absoluta T y radia solo una fracción ϵ de la energía que emitiría< una superficie negra. La cantidad ϵ se denomina “emisividad” de la superficie, y la energía emitida por esta en un segundo esta dado por la ley de Stefan – Boltzman:

De donde:

∆Q/∆t=ϵAσT^4

σ : 5.67x〖10〗^(-8) W/(m^2 K^4 ) , Que corresponde a la constante de Estefan-Boltzman , y T la temperatura absoluta

La emisividad de un cuerpo negro es igual a la unidad.

Todos los cuerpos cuya temperatura están arriba del cero absoluto radian energía. Cuando un objeto con una temperatura absoluta T esta en una región donde la temperatura es T_0 , la energía neta radiada por el cuerpo en un segundo esta dad por:

∆Q/∆t=ϵAσ(T^4-T_0^4 )

Problemas de aplicación

1.- Una plancha de hierro de 2cm de espesor tiene un área de 5000〖cm〗^2 en su sección transversal. Una de lñas acaras esta a 150°C y la otra esta a 140°C. ¿Cuánto calor fluye a través de la placa en cada segundo? Para ael hierro k= 80W/(kº m) (20 KJ/s)

2.- Una placa de metal de 4mm de espesor tiene una diferencia de temperatura entre sus caras de 32°C transmite una energía calorífica

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