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FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 1.CONDUCCIÓN 2.CONVECCIÓN 3.RADIACIÓN

CONCEPTOS 



Calor: Energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior.

Flujo de calor: Transferencia de energía que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias de temperatura.

Mecanismos de Transferencia de Calor en Sistemas Cerrados

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

Mecanismo de transferencia de calor por conducción

Transferencia de calor por conducción La conducción es la trasferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de sus interacciones

¿Qué es la Transferencia de Calor por Conducción? 

Es la Transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las menos energéticas. La conducción puede ocurrir en:  Sólidos  Líquidos  Gases

● En líquidos y gases se debe a las colisiones de las moléculas durante su movimiento aleatorio. ● En los sólidos se debe a la combinación de la vibración de las moléculas en una red y el transporte de energía mediante electrones libres

ECUACIONES En el caso limite de Δx

0

Depende del material Ley de Fourier

Donde: x ∆T k A

Espesor Diferencia de temperatura Constante de conductividad térmica del material Área normal a la transferencia de calor

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Es una propiedad de Ia materia que indica Ia facilidad o resistencia al flujo de energía calórica. Se representa por K y tiene unidades de

Para los metales el valor de esta propiedad es relativamente alto. Lo cual indica que los metales son buenos conductores de calor, razón por la que cuando se transporta vapor de agua en una tubería, es necesario aislarla para evitar la pérdida de energía hacia el ambiente. Ya que en caso contrario, Ia caldera (planta de fuerza) trabajaría con mucho consumo de combustible. Por el contrario cuando se habla de aislantes se hace referencia a materiales que tienen muy poca conductividad térmica. Algunos valores de conductividad térmica corresponden a:

Coeficiente de Conductividad Térmica

Ley de Fourier La tasa de conducción de calor en una dirección es proporcional al gradiente de temperatura en esa misma dirección. La dirección de temperatura es decreciente ( + temp - temp ) y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando la temperatura disminuye con x (distancia) creciente. Por eso se agrega el signo negativo a la ecuación.

Donde: K= constante de conductividad térmica A= área

ΔT= diferencia de temperatura ΔX= capa de espesor

Ley de Fourier

El signo menos (-) es consecuencia del Segundo Principio de la Termodinámica, según el cual, el calor debe fluir hacia la zona de temperatura más baja.

Ejemplo El techo de una casa con calefacción eléctrica mide 7m de largo, 10 m de ancho y tiene un espesor de 0,25 m. está fabricado con una capa plana de concreto. Durante cierta noche de invierno, las temperaturas de las superficies interna y externa del techo son 15°C y 4°C, respectivamente. ¿Cuál fue la tasa promedio de pérdida de calor por el techo, sabiendo que el coeficiente de conductividad térmica del concreto es 0.92 W/(m°C)?

DATOS 4°C

•LARGO: 7m •ANCHO: 10m •ESPESOR: 0,25m •TEMPERATURA INTERNA: 15°C •TEMPERATURA EXTERNA: 4°C • k: 0.92 W/(m2°C)

Transferencia de Calor por Convección

″Todos los modos de transferencia de calor requieren que exista una diferencia de temperatura y todos pasan del ámbito de alta temperatura a uno de menor temperatura ″

¿Qué es Convección? ″La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie solida y el liquido o gas adyacente que está en movimiento y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento del fluido″

Clasificación •

•

Convección forzada si el fluido es forzado a fluir en el tubo o sobre una superficie por medios externos, como un ventilador, una bomba o el viento. Se trata de convección libre (o natural) si el movimiento del fluido es ocasionado por las fuerzas de flotación inducidas por diferencia de densidad debidas a la variación de temperatura en el fluido.

Es si el fluido está forzado a fluir en un tubo o sobre una superficie por medios externos.

Es si el movimiento de un fluido es ocasionado por las fuerzas de flotación inducida por diferencia de densidades debido a la variación de la temperatura en el fluido.

Procesos de transferencia de calor, en donde hay un cambio de fase del fluido, también se consideran convección.

•

•

Los procesos de transferencia de calor en los que hay un cambio de fase de un fluido se consideran también como convección debido al movimiento del fluido durante el proceso. Por ejemplo, al ascenso de las burbujas de vapor durante la ebullición o del descenso de gotas de liquido durante la condensación.

ECUACIONES La tasa de transferencia de calor por convección, se determina a partir de la ley de enfriamiento de Newton, expresada como:

Donde: Ts Tf h A

Temperatura de la superficie Temperatura del fluido lejos de la superficie Coeficiente de transferencia de calor por convección Área a la cual ocurre la transferencia de calor

ሶ ▪ 𝑄CONV= ℎ𝐴(𝑡𝑠 − 𝑡𝑓 ) ▪ Unidades son: W 𝑊 ). 𝑚2 ∗𝐾 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 (𝑚2 ).

▪ ℎ = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (

▪ 𝐴 = 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑙 𝑠𝑒 ℎ𝑎𝑐𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 ▪ 𝑡𝑠 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 (𝐾 ó °𝐶).

▪ 𝑡𝑓 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑙𝑒𝑗𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 (𝐾 ó °𝐶).

COEFICIENTES DE CONVECCIÓN Los valores representativos de este coeficiente en (W/m2.K) se encuentran en intervalos de:

Ejemplo

Una persona está de pie en una habitación con brisa a 20 °C. Determine la tasa de transferencia de calor por convección desde esta persona, si el área superficial expuesta y la temperatura de su piel son 1.6 m2 y 29 °C, respectivamente, y el coeficiente de transferencia de calor por convección es 6 de W/(m2 * °C). ▪ 𝑄ሶ CONV= ℎ𝐴(𝑡𝑠 − 𝑡𝑓 ) ▪ 𝑄ሶ CONV= 6

𝑊 𝑚2 ∗°𝐶

▪ 𝑄ሶ CONV= 86,4𝑊

∗ 1,6𝑚2 ∗ (29°C−20°C)

Transferencia de Calor por Radiación

DEFINICIÓN Energía que emite la materia en la forma de ondas electromagnéticas como resultado de cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas.  Todos los cuerpos a una temperatura superior del cero absoluto emiten radiación térmica. 

•

Radiación: es la energía que emite la materia en forma de ondas electromagnéticas debido a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas, esta energía la emiten, absorben o trasmiten los solidos, líquidos y gases

•

Transferencia de calor por radiación: este mecanismo de transferencia de calor no requiere la presencia de un medio, se lleva a cabo a la velocidad de la luz, un ejemplo de esto es la energía que recibe la tierra del sol.

•

El objetivo en la transferencia de calor es estudiar la forma de radiación que emiten los cuerpos según su temperatura.

ECUACIONES Tasa Máxima de Radiacion:

Q emitida, max =σATs4 (W) Donde: Ts La temperatura absoluta A El área superficial σ Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5,67 x 10-8 W/m2 K4 Esta radiacion máxima es emitida unicamente por una superficie idealizada llamada cuerpo negro, las superficies normales emiten una radiacion menor y se expresa como: Q emitida = εσATs4 (W)

ECUACIONES 

Ley de Stefan – Boltzmann → Tasa máxima de radiación que se puede emitir desde una superficie a una temperatura absoluta. 𝑸ሶ 𝒆𝒎𝒊𝒕𝒊𝒅𝒂,𝒎𝒂𝒙 = 𝝈𝑨𝑻𝒔𝟒

A : Área superficial σ : Constante ( 5.67 𝑥 

10−8

𝑊 𝑚2 .𝐾4

)

Tasa neta de transferencia de calor →

𝑸ሶ 𝒓𝒂𝒅 = 𝜺𝝈𝑨( 𝑻𝒔𝟒 − 𝑻𝒆𝒏𝒕𝟒 )







 

Emisividad (ε) y absorbencia (α) oscilan entre: 0 ≤ ε, α ≤1 Tasa de absorción de radiacion: ¿QUÉ ES UN CUERPO NEGRO? Q absorbente = αQ incidente Donde Q incidente es la tasa a la que la radiacion incide sobre la superficie. α es la absorbencia de la superficie. Transferencia neta de calor por radiación: es la diferencia entre la tasa de radiación emitida y de radiación absorbida. Qrad = εσ A(Ts4 -T4 alrededores )



Propiedad de Emisividad → Radiación que emite todas las superficies reales y es menor a la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. 𝑸ሶ 𝒆𝒎𝒊𝒕𝒊𝒅𝒂 = 𝜺𝝈𝑨𝑻𝒔𝟒

ε: Emisividad de la superficie ( 0 ≤ ε ≤ 1) Propiedad de Absorbancia → Fracción de la energía de radiación incidente sobre una superficie absorbida por está. 𝑸ሶ 𝒂𝒃𝒔 = 𝜶𝑸𝒊𝒏𝒄𝒊𝒅𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑄𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 : Tasa a la que la radiación incide sobre la superficie. 

𝛼: Absorbancia de la superficie ( 0 ≤ 𝛼 ≤ 1)

Una persona está de pie en una habitación con brisa a 20°C.

Determine la tasa total de

transferencia de calor desde esta persona si el área superficial expuesta y la temperatura de su piel son 1.6m2 y 29°C,

coeficiente

de

respectivamente, y el

transferencia

convección es de 6W/(m2°C).

de

calor

por

APLICACIÓN ¿Tasa de transferencia total de calor de la persona?



Temperatura de la habitación con brisa = 20 °C ó 293 K Área superficial expuesta = 1.6 𝑚2 Temperatura de la piel = 29 °C ó 302 K



σ = 5.67 𝑥



ε = 0,95 (Valor de emisividad para la piel a T ambiente)

 

10−8

𝑊 𝑚2 .𝐾 4

𝑸ሶ 𝒓𝒂𝒅 = 𝜺𝝈𝑨( 𝑻𝒔𝟒 − 𝑻𝒆𝒏𝒕𝟒 ) 𝑸ሶ 𝒓𝒂𝒅 = (0,95)( 5.67 𝑥

10−8

𝑊 2 )(302 𝐾 4 − 293 𝐾 4 ) )(1.6 𝑚 𝑚2 . 𝐾 4

𝑸ሶ 𝒓𝒂𝒅 = 𝟖𝟏, 𝟕 𝐖

Emisividad de algunos materiales

EJERCICIO 2- 103 © Se deja una plancha de 1000-W sobre la tabla de planchar, con su base al aire, que está a 20°C. El coeficiente de transferencia de calor por convección natural entre la superficie de la base y el aire que la rodea es 35 W/(m2·°C). Si la emisividad de la base es 0.6 y su área es 0.02 m2, determine la temperatura de la base de la plancha en (°C).

SOLUCIÓN 2- 103 © Coeficiente de Transferencia por 2) Convección:h = 35 W/(K.m

Emisividad = ε = 0.6

Área superficial = 0.02 m2

Qtotal=Qconvección+Qradiación =1000 W Q = hAT = (35W / K .m 2 )(0,02m 2 )(Ts − 293K ) Q = 0,7(Ts − 293)W .

Q = A(Ts4 − T04 ) = 0,6(0,02m 2 )(5,67 *10−8 w / m 2 .K 4 )[Ts4 − (293K ) 4 ] .

Q radiacion = 0,06804 *10−8 [T − (293K ) 4 ]

1000W = 0,7(Ts − 293K ) + 0,06804 *10−8 [Ts4 − (293K ) 4 ]

TS = 947K = 674C

Modos de transferencia de calor CONDUCCION

CONVECCION

RADIACION

Transferencia de energía de partículas mas energéticas a las adyacentes menos energéticas, debido a las interacciones entre ellas. Qcond = ktA(ΔT/ Δx)

Transferencia de energía entre una superficie sólida y un liquido o gas adyacente que esté en movimiento. Qconv= hA(Ts-Tf) h = coeficiente de transferencia de calor por convección A = área de la superficie donde ocurre la transferencia térmica Ts = Temperatura de la superficie Tf = Temperatura del fluido mas allá de la superficie

Energía emitida por la materia mediante ondas electromagnéticas (fotones) como resultado de los cambios en la configuración electrónica de los átomos o moléculas. No requiere de un medio entre el sistema y los alrededores

k= conductividad térmica del material (capacidad para conducir el calor)

Qemit=εσATs4 A = área superficial ε = emisividad de la superficie (entre 0 y 1) σ : 5.67 * 10-8 W/(m2K4) α= Absorbencia (fracción de energía incidente sobre la superficie que esta absorbe ( entre 0 y 1)