Mecanismos Basicos De La Transferencia De Calor

CONTENIDO

Introducción………………………………………………………………………... 2

Unidad 1 Mecanismos básicos de la transferencia de calor.

1.1. Conducción……………………………………………………………………. 3

1.2. Convección……………………………………………………………………. 8

1.3. Radiación………………………………………………………………………. 10

1.4. Analogía Eléctrica……………………………………………………………. 13

1.5. Mecanismos Combinados de Transferencia de Calor………………...

Conclusión….………………………………………………………………………. 14

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Bibliografía………...………………………………………………………….…….. 17

INTRODUCCIÓN

La transferencia de calor es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.

Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

1.1. Conducción.

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

Fórmulas y leyes

El flujo de calor conducido a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

Campo de temperatura: T = T(x; y; z; t)

t: tiempo

Campo estacionario: T = T(x; y; z)

Gradiente térmico: ∇T = ∂T. i /∂x + ∂T. j /∂y + ∂T. k /∂z = ∂T/∂A | n/m.a

i, j, k, n: versores

La variación de temperatura por unidad de longitud se denomina gradiente de temperatura: ΔT/L.

Intensidad de flujo de calor: Φ = ΔQ/ΔA.Δt [J/m².s] =[watt/m²] [cal/cm².h]

Flujo: H = ΔQ/Δt [J/s] = [watt] [cal/h]

Flujo lineal: H = k.A.ΔT/L [J/s] =[watt] [cal/h]

Flujo radial: H = 2.π.k.L.ΔT/ln (r2/r1) [J/s] =[watt] [cal/h]

Flujo esférico: H = 4.π.k.r1.r2.ΔT/(r2- r1) [J/s] =[watt] [cal/h]

H: flujo de calor [J/s].

k: conductividad térmica del material [J/s.m.°C].

A: sección de conducción.

L: longitud desde el punto de más calor al de menos calor.

a) Régimen estacionario: Φ = - λ .∇T

b) Régimen estacionario y flujo en una sola dirección: ΔQ = - λ .ΔA.ΔT.Δt.Δl

c) Régimen no estacionario: ∇²T = ∂T²/∂x² + ∂T²/∂y2 + ∂T2/∂z2 = ∂T/ α .∂t

α = λ /ce.Δ

Procedimiento general: i - se resuelve (c), obteniendo T.

ii - con (a) se calcula Φ.

iii - con Φ se calcula H.

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida.

Ejercicios:

1.2. Convección.

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección.

El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir.

Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.

La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la hidrodinámica.

H = h.A.ΔT [J/s] =[watt] [cal/h]

H: flujo de calor [J/s].

h: coeficiente de convección [cal/s.cm².°C].

A: superficie de contacto.

Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior (que está más frío) desciende, mientras que al aire cercano al panel interior (más caliente) asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección. Debido a la convección, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable del tiraje de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

1.3. Radiación.

Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de la luz. El calor irradiado por el sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la superficie de la tierra sin calentar el espacio de transición.}

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío, o bien que no exista materia entre ellas. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación

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