Transferencia de calor

Termodinámica. Calor latente y de fusión. Temperatura. Escalas. Capacidad calorífica

  • Enviado por: Willian Alvarez
  • Idioma: castellano
  • País: Venezuela Venezuela
  • 36 páginas
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INTRODUCCIÓN

Nuestra meta inmediata es examinar los mecanismos básicos que intervienen en la transferencia de calor y estudiar las ecuaciones fundamentales para calcular la rapidez de transferencia de energía. Hay tres formas de transferencia de energía : conducción, convención y radiación

Todos los procesos de transferencia de energía comprenden una de estas tres formas . en el resto de este capitulo se hará una descripción introductoria así como un estudio de estas formas de transferencia

Esta investigación se presenta de forma practica tratando los aspectos fundamentales de las materias citadas y definiendo las formulas esenciales para la realización de los cálculos correspondientes de cara área

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA.  

Frecuentemente, el lenguaje de las ciencias empíricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. Así, aunque el término “temperatura” parece evidente para el sentido común, su significado adolece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura.

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.

Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado.)

La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro se construye a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en relación con el termómetro.

Calor

En física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia de una sustancia o forma de materia invisible, denominada calórico. Según la teoría del calórico, un cuerpo de temperatura alta contiene más calórico que otro de temperatura baja; el primero cede parte del calórico al segundo al ponerse en contacto ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teoría del calórico explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, las pruebas experimentales presentadas por el físico británico Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico Humphry Davy en 1799 sugerían que el calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía). Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostró de forma concluyente que el calor es una transferencia de energía y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo.

TEMPERATURA

La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que se pueden medir con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia y, en el caso de un gas, su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas (ver más adelante).

La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia; según la teoría cinética (véase Gas; Termodinámica), la energía puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del movimiento de traslación de las moléculas. En teoría, las moléculas de una sustancia no presentarían actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto.

ESCALAS DE TEMPERATURA

En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están la escala Celsius —también conocida como escala centígrada—, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional (véase Termómetro). En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R y su punto de ebullición a 672 °R.

En 1933, científicos de treinta y una naciones adoptaron una nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinámicos. La escala internacional emplea como patrón un termómetro de resistencia de platino (cable de platino) para temperaturas entre -190 °C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.064 °C) se emplea un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión producida entre dos alambres de metales diferentes (véase Termoelectricidad). Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.

En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del agua —es decir, el punto en que las tres fases del agua (vapor, líquido y sólido) están en equilibrio— como referencia para la temperatura de 273,16 K. El punto triple se puede determinar con mayor precisión que el punto de congelación, por lo que supone un punto fijo más satisfactorio para la escala termodinámica. En criogenia, o investigación de bajas temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan sólo 0,00001 K mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas. En las explosiones nucleares (véase Armas nucleares) se han alcanzado momentáneamente temperaturas evaluadas en más de 100 millones de kelvins.

UNIDADES DE CALOR

En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en julios. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16  °C. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición. La energía mecánica se puede convertir en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. A una caloría le corresponden 4,1855 julios. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.

Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta.

CALOR LATENTE

El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla (véase Hielo). Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas (véase Regla de las fases). El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización (véase Destilación; Evaporación). Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100  °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse (véase Condensación). Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios.

CALOR DE FUSION

Temperatura a la que un líquido sometido a una presión determinada se transforma en sólido.

El punto de solidificación de un líquido puro (no mezclado) es en esencia el mismo que el punto de fusión de la misma sustancia en su estado sólido, y se puede definir como la temperatura a la que el estado sólido y el estado líquido de una sustancia se encuentran en equilibrio. Si aplicamos calor a una mezcla de sustancia sólida y líquida en su punto de solidificación, la temperatura de la sustancia permanecerá constante hasta su licuación total, ya que el calor se absorbe, no para calentar la sustancia, sino para aportar el calor latente de la fusión. Del mismo modo, si se sustrae el calor de una mezcla de sustancia sólida y líquida en su punto de solidificación, la sustancia permanecerá a la misma temperatura hasta solidificarse completamente, pues el calor es liberado por la sustancia en su proceso de transformación de líquido a sólido. Así, el punto de solidificación o el punto de fusión de una sustancia pura puede definirse como la temperatura a la que la solidificación o fusión continúan una vez comenzado el proceso.

Todos los sólidos se funden al calentarse y alcanzar sus respectivos puntos de fusión, pero la mayoría de los líquidos pueden permanecer en este estado aunque se enfríen por debajo de su punto de solidificación. Un líquido puede permanecer en este estado de sobreenfriamiento durante cierto tiempo. Este fenómeno se explica por la teoría molecular, que define a las moléculas de los sólidos como moléculas ordenadas, y a las de los líquidos, desordenadas. Para que un líquido se solidifique, necesita tener un núcleo (un punto de orden molecular) alrededor del cual puedan cristalizar las moléculas desordenadas. La formación de un núcleo depende del azar, pero una vez formado, el líquido sobre enfriado se solidificará rápidamente. El punto de solidificación de una disolución es más bajo que el punto de solidificación del disolvente puro antes de la introducción del soluto (sustancia disuelta).

La cantidad a la que desciende el punto de solidificación depende de la concentración molecular del soluto y de que la disolución sea un electrolito. Las disoluciones no electrolíticas tienen puntos de solidificación más altos, en una concentración dada de soluto, que los electrólitos. La masa molecular de una sustancia desconocida o no identificada puede determinarse midiendo la cantidad que desciende el punto de solidificación de un disolvente, cuando se disuelve en él una cantidad conocida de la sustancia no identificada. Este proceso que determina las masas moleculares se denomina crioscopia.

En aleaciones y sustancias mezcladas, el punto de solidificación de la mezcla puede llegar a ser mucho más bajo que los puntos de solidificación de cualquiera de sus componentes.

El punto de solidificación de la mayoría de las sustancias puede elevarse aumentando la presión. No obstante, en sustancias que se expanden al solidificarse (como el agua), la presión rebaja el punto de solidificación. Un ejemplo de esto último puede observarse si colocamos un objeto pesado en un bloque de hielo. La zona inmediatamente debajo del objeto comenzará a licuarse, volviendo a solidificarse al retirar el objeto, sin que se produzca variación de temperatura. Este proceso se conoce como rehielo.

CALORÍA

Antigua unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La caloría pequeña, o caloría-gramo (cal), suele definirse en ciencia e ingeniería como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 a 15,5 °C. A veces se especifica otro intervalo de temperaturas. La definición más habitual en termoquímica es que 1 caloría es igual a 4,1840 julios.

En ingeniería se emplea una caloría algo diferente, la caloría internacional, que equivale a 1/860 vatios hora (4,1868 J). Una caloría grande o kilocaloría (Cal), muchas veces denominada también caloría, es igual a 1.000 calorías-gramo, y se emplea en dietética para indicar el valor energético de los alimentos.

CALOR ESPECÍFICO

cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.

De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante.

CAPACIDAD CALORÍFICA

Energía necesaria para aumentar en un grado la temperatura de un cuerpo. Sus unidades son J·K-1 o J·ºC-1.

Si un cuerpo intercambia cierta cantidad de energía térmica Q y se produce un incremento de temperatura ÄT, la relación entre ambas magnitudes es:

Q = C· ÄT

donde C es la capacidad calorífica del cuerpo. Aumentar o disminuir la temperatura de un gas encerrado en un recipiente se puede realizar a volumen o a presión constante, por lo que en el caso de las sustancias gaseosas se habla de capacidad calorífica a volumen constante, Cv, y de capacidad calorífica a presión constante, Cp.

La capacidad calorífica de un cuerpo es proporcional a la cantidad de masa presente:

C = m ·c

La constante c se denomina capacidad calorífica específica o, más comúnmente, calor específico y sólo depende del tipo de sustancia de que se trate, pero no de su cantidad. Es la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un kilogramo de una sustancia.

Igualmente se puede utilizar el concepto de capacidad calorífica molar, que se define como la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un mol de sustancia.

CALOR DE VAPORIZACIÓN (sublimación)

Cambio de una sustancia del estado sólido al vapor sin pasar por el estado líquido.

Algunas de las moléculas de un sólido pueden vibrar muy rápidamente, vencer las fuerzas de cohesión y escapar como moléculas gaseosas al espacio libre: el sólido se sublima. Inversamente, al chocar estas moléculas gaseosas contra la superficie del sólido, pueden quedar retenidas, condensándose el vapor. El equilibrio que tiene lugar cuando la velocidad de sublimación y la de condensación son iguales se caracteriza por una presión de vapor que depende de la naturaleza del sólido y de la temperatura.

Los olores característicos de muchas sustancias sólidas, como el yodo, el naftaleno, el yodoformo y los perfumes sólidos, son debidos a que estas sustancias tienen una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente.

El proceso de sublimación va acompañado necesariamente de una absorción de energía térmica. La cantidad de energía térmica que se necesita para sublimar a temperatura constante un kilogramo de sustancia en estado sólido se conoce como energía o calor latente de sublimación. El calor latente de sublimación de una sustancia es igual a la suma del calor latente de fusión más el calor latente de vaporización.

TRANSFERENCIA DE CALOR

En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. 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. 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.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR 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. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor 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).

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. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

PROBLEMA:

Una pared de una casa mide 8 pies x 20 pies, no tiene ventanas, y consta de ¼ de pulg. De forro de tela de roble y 2 pulg. De pino blanco. La temperatura interna de la pared es de 70ºf y la temperatura externa de 10 ºF.. Determine la pérdida de calor a través de la pared en Btu / h.

DATOS : Una pared sin ventanas tiene un diferencial de temperatura entre su superficie interior y exterior.

Área: 8 pies x 20 pies = 160 pies 2

Interior de la pared :

Forrado de tela de roble : Lo = 1/2 pulgada

Temperatura de la superficie interna : T 2 = 70 F

Exterior de la pared :

Forro de pino blanco : LP= 2 pulgadas

Temperatura de la parte superior T1 = 10 º F

Objetivos : Determinar la razón de transferencia de calor , Q ( Btu/ h, a través de la pared.

Suposiciones: (1 ) existen condiciones de estados estacionarios .

( 2 ) los materiales de la pared tienen conductividad

térmica constante

( 3 ) La conducción de calor a través de la pared es unidimensional ; es decir, el flujo de calor es normal al área superficial de la pared

Física requerida : conservación de energía : el flujo neto de energía que entra a la pared es igual al flujo neto que sale de la pared

Propiedades:

KO = conductividad térmica del roble = 0,096 Btu / h- pie º

Kp = conductividad térmica del pino = 0,065 Btu / h- pie

De los datos

L0 = espesor del forro de robles = ( 1/4 ) / 12 = 1/ 48 pie

Lp = espesor de la capa de pino = 2/12 . 1/6 pie .

A = area de las caras para ambos materiales = 8 x 12 = 160 pie2

Análisis :

" R i = Lo + Lp

KoA + KpA

= 1/48 + 1/6

0.096x160 0.065x160

1.356 x 10 -3 + 16.03 x 10-3

17.39 x 10-3 hºF/Btu

Observamos que:

T = 70ºF - 10ºF = 60ªF

Q = T = 60 = 3,450 Btu/h

"R i 17.39 x 10-3

Comentarios: La pérdida total en la conducción de calor a través de la pared hecha con roble y pino es de 3,450 Btu/h.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR 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 mecánica de fluidos.

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, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, 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 de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro 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.

PROBLEMA:

Partiendo del problema de transferencia de calor por conducción, considere la misma pared , suponga que la temperatura del aire del interior es de 70 ªF y que la temperatura del aire el exterior es de 10 ºF, estimaremos que el coeficiente natural convectivo de transferencia de calor en el interior de la pared es de 2 Btu/ h-pie2 ºF. Para pérdida máxima de calor supondremos que se trata de un día con viento y tomaremos un valor para el coeficiente convectivo forzado de transferencia de calor en la superficie exterior de la pared igual a 25Btu / pie2 ºF., bajo estas condiciones estimaremos la pérdida de calor a través de la pared.

Solución:

Datos

Una pared sin ventana pierde calor de su superficie por convección.

Área: 08 pies x 20 pies = 160 pie2.

Parte interior de la pared:

Forrado de tela de roble Lo = ½ pulg.

Temperatura del aire en el interior T  = 70 ºF.

Ho = 2Btu / H-pie2 ºF +

Exterior de la pared

Forro de pino blanco: Lp = 2 pulg.

Temperatura del aire en el exterior : T1 = 10ºF

Hp = 6Btu / h pie2 ºF.

Suposiciones: ( 1) Existen condiciones de estado estacionario.

(2) Los materiales que constituyen la pared tienen conductividad térmica constante .

  • Los coeficientes convectivos de transferencia de calor son constantes, la pérdida de calor a través dela pared es normal al plano de ésta.

  • Física Requerida: Conservación de la energía: para condiciones en estado estacionaria, como el flujo neto de energía que entra a la pared es igual al flujo neto que sale de la pared.

    Propiedades:

    Ko = conductividad térmica del roble = 0.096 (Btu/H-pie ºF)

    Kp = conductividad térmica del pino = 0.065 (Btu/H-pie ºF)

    Lo = espesor del forro del roble = (1/4) /12 = 1/48 pie

    Lp = espesor del forro del pino = (2 /12 = 1/6 pie

    A = área de la superficie de ambos materiales 0 8X 12 = 160 pies2.

    Rcond = resistencia conductiva total .

    Análisis:

    Ho = valor de h en la interfase., roble - aire.

    Hp = valor de la h en la interfase pino - aire.

    " Ri = Rcond + 1/ hoA + 1/ hpA

    = 17,39 x 10 -3 + 2 x 160+ 6 x160.

    = 17,39 x 10 -3 + 3.12 x10 -3 + 1.04 x 10 -3

    " Ri = 21.55 x 10 -3 hºF/ Btu

    T = 70 - 10 = 60 ºF.

    Q= T /" Ri = 60/21.55 x 10 -3 = 2,790 (Btu/h) = 0.81 kW.

    TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN.

    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. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas (véase Radiación electromagnética). Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas (véase Movimiento ondulatorio), pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

    La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

    Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.

    Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.

    Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.

    PROBLEMA:

    Se coloca una superficie negra en un recipiente vacío tal que absorbe la energía solar radiante que incide sobre la misma a razón de 950 W/ m2 , si la superficie no conduce calor a sus alrededores determina su temperatura de equilibrio.

    Solución:

    Datos:

    Una superficie negra absorbe radiación solar incidente a razón de q = 950 W / m2. La superficie se encuentra contenida en un contenedor vacío tal que el lado posterior de la superficie no intercambia calor con sus alrededores. Calcular la temperatura de equilibrio de la superficie negra.

    T = (q/ ) ¼

    T = ( 950/ (5.668 x 10 -8) ) ¼

    T = 360 ºK ó 87 ºC.

    Comentarios: La temperatura de equilibrio de la superficie negra será T = 87 ºC.

    CONCLUSIÓN

    La sensación de frío de calor al tocar una sustancia depende de una temperatura de la capacidad de la sustancia para conducir el calor de otros factores. Aunque si se producen con cuidado es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es posible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de la reacción subjetiva.

    Este trabajo está enfocado para que el investigador adquiera un mínimo de conocimiento básico acerca de los temas estudiados en él. Por tal motivo la información recopilada en éste ensayo es sumamente breve, de manera que si el lector desea una información más extensa sugiero que consulte bibliografías que tratan ampliamente los aspectos analizados.

    BIBLIOGRAFÍA

  • GORDON J., Van Wylen y RICHARD E., Sonntag .

  • FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA,

    Grupo Noriega Editores.

  • MARK W., Zemansky y RICHARD H., Dittman

  • CALOR Y TERMODINAMICA

    Editores Mc Graw - Hill

  • HOLMAN, J. P

  • TRANSFERENCIA DE CALOR

    Ediciones CECSA.

  • ENCICLOPEDIA MICROSOFT ENCARTA 2001.

  • TRANSFERENCIA DE CALOR

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