Transferencia de calor

Termodinámica

La Termodinámica es la ciencia que estudia la transferencia de calor. Siempre que existe un gradiente térmico en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferentes temperaturas, se transfiere energía entre ellos o las temperaturas se mantienen constantes punto a punto en el sistema. El cumplimiento del primer principio de la termodinámica y descartada la presencia de trabajo con el exterior, la variación de energía interna solo puede ser debida a calor, que es la energía en movimiento o en tránsito. El trabajo se manifiesta por el movimiento de un eje que invierte una máquina sobre el sistema o el sistema lo invierte sobre la máquina.

Pero los parámetros sólo representarán magnitudes si se dispone de un dispositivo de medición corresponden las condiciones de flujo a uno estacionario o transitorio. La termodinámica por lo tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en función de sus diferencias de temperaturas determina la cantidad de energía transferida de un estado al otro, pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor. Los fenómenos de transporte se encargan de estudiar los sistemas físicos en los que ocurren transferencias o transportes de propiedades considerando los mecanismos de flujo de calor y la velocidad de transferencia de calor. El alcance del análisis termodinámico es calcular los flujos de calor pero no la velocidad de transferencia de calor ni tampoco considerar los mecanismos para transmitir el calor por ello es que los fenómenos de transporte poseen un campo de estudio más amplio dado por la especialización en la ciencia.

Modos de transferencia

En general, se reconocen tres modos distintos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación, aunque, en rigor, solo la conducción y radiación debieran considerarse formas de transmisión de calor, porque solo ellas dependen exclusivamente de un desequilibrio térmico para producirse. Para que se produzca convección, tiene que haber un transporte mecánico de masa además de una diferencia de temperatura, sin embargo, teniendo en cuenta que la convección también transfiere energía de zonas con mayor temperatura a zonas con menor temperatura, normalmente se admite el modo transferencia de calor por convección.

Conducción: Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio material por contacto directo entre sus partículas, cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micropartículas.La transferencia curre en todos los estados de la materia y el medio puede ser sólido, líquido o gaseoso, aunque en líquidos y gases solo se da la conducción pura si se excluye la posibilidad de convección. La cantidad de calor que se transfiere por conducción, viene dada por la ley de Fourier. Esta predice que la densidad de flujo de calor sobre el área es igual a el cociente entre la diferencia de temperatura con la diferencia de posición en una dirección multiplicada por la conductividad. El área es normal a la dirección de flujo. La ecuación se multiplica por un signo menos para que la densidad de flujo de calor sea positiva cuando la temperatura disminuye. La densidad de flujo de calor tiene unidades de W/m2-K en el Sistema SI. Para gases monoatómicos de baja densidad como el neón a bajas presiones se utiliza la ecuación de Chapman-Enskog que es el cociente entre el producto de una constante y la raíz cuadrada que contiene el cociente entre la temperatura absoluta y la masa molar sobre el diámetro de partícula al cuadrado por la integral de colisión que se determina por el parámetro de Lennard-Jones que es un cociente de unidades de cal/W-m2-K. Para los líquidos se utiliza las gráficas de conductividad en función de las relaciones relativas de presiones y de las relaciones relativas de temperaturas. A bajas densidades para gas poliatómico se utiliza la ecuación de Eucken

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