LABORATORIO DE FÍSICA II TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCION EXPERIENCIA VIII INTEGRANTES: NOMBRE
CÓDIGO
1
Aura Arteta
101413008
2
Jessica Ramirez
101412819
3
Paula Sanchez
101411163
4
Carlos marriaga GRUPO: FD DOCENTE: Eduardo Martínez Iglesias UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS LABORATORIO DE FÍSICA
1
BARRANQUILLA 2014-10-03
CONTENIDO INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………. 3 MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………………………... 4 OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………. 6 DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA……………………………………………………………7 MATERIALES……………………………………………………………………………………………….9 OBSERVACIONES CONCLUSIÓN HOJA DE EVALUACIÓN
2
INTRODUCCIÓN En el siguiente informe de laboratorio, los estudiantes de ingeniería industrial de II Semestre realizamos una experiencia acerca de la transferencia de calor por conducción, la cual Es la transferencia que se produce a través de un medio estacionario -que puede ser un sólido- cuando existe una diferencia de temperatura, conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualarla temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto. La conducción del calor es muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía, no puede existir conducción de calor si no hay materia. Cuando las partículas están en movimiento dentro de un sistema, se produce un intercambio de calor entre ellas, este fenómeno se denomina: transferencia de calor. Este informe consta de un marco teórico, datos experimentales, resultados, análisis de los mismos y las conclusiones obtenidas luego de realizar la práctica.
3
MARCO TEÓRICO La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.
Una barra al rojo vivo transfiere calor al ambiente principalmente por radiación térmica y en menor medida por convección, ya que la transferencia por radiación es
y la convección
.
Conducción: Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio estacionario -que puede ser un sólido- cuando existe una diferencia de temperatura. La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal
4
conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes. La conducción del calor solo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. Para un volumen de espesor ∆x, con área de sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran diferentes T 1 y T2, con T2 > T1, se encuentra que el calor ∆Q transferido en un tiempo ∆t fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = ∆Q/∆t, está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier. dQ dT H= =−kA dt dx Donde k (en W/mK) se llama conductividad térmica del material, magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la conducción de calor es en la dirección decreciente de la temperatura. Se listan valores de conductividades térmicas para algunos materiales, los altos valores de conductividad de los metales indican que son los mejores conductores del calor.
Ejemplo: una barra de oro está en contacto térmico con una barra de plata, una a continuación de la otra, ambas de la misma longitud y área transversal, un extremo de la barra compuesta se mantiene a T1 = 80º C y el extremo opuesto a T2 = 30º C. Calcular la temperatura de la unión cuando el flujo de calor alcanza el estado estacionario.
Solución: similar al ejemplo anterior, con L1 = L2 = L: (T −T ) (T −T ) H oro=K 1 A 1 y H plata=K 2 A 2 L L Cuando se alcanza el estado estacionario, estos dos valores son iguales: (T −T ) (T −T ) H oro=H plata → k 1 A 1 =K 2 A 2 L L 5
T −T 2 K 1 ( T 1−T )=K 2 ¿
Despejando la temperatura T, con k1 del oro y k2 de la plata, valores obtenidos. K T + K T 314 ×353+ 427 ×303 T = 1 1 2 2= =51.2 ° C K1 +K2 314+ 427
OBJETIVOS: Observar cuál de las tres placas conduce más calor. Determinar el flujo de calor a través de una pared compuesta por placas diferentes. Determinar el flujo de calor a través de una sola placa.
6
DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA Primeramente después de escuchar las indicaciones del docente empezamos a introducir todas las variables y fórmulas al Cassylab necesarias para poder calcular la transferencia de calor por conducción con el apoyo de dos placas mediante modelos matemáticos incluidos en el software. Colocamos en el cassy lab un rango de tiempo de diez minutos en el cual nos dieron diferentes temperaturas con cada una de las placas (Poliestireno, madera, cartón enyesado), las cuales tenían cada una con una constante de conductividad diferente. Íbamos cambiando las placas con cuidado al colocar las sondas térmicas &JA11 y &JA12 y cuando hacíamos el cambio de placa dejamos reposar la cámara térmica para así tratar de que llegue a la temperatura ambiente.
7
MATERIALES
Cámara térmica Sondas térmicas Sensor de temperatura Termo acumulador de aluminio Materiales de pared Placa de poliestireno Placa de cartón enyesado Placa de virutas de madera Placas de aluminio lacadas en negro por un lado Placas de aluminio sin lacar Calentador de placas Plaquitas de contacto de aluminio para colocar en las entalladuras circulares
8
OBSERVACIONES: Primeramente observamos que la rapidez del calor (H) iba aumentando a medida que pasaban los minutos
9
TABLAS 1) poliestire no t / min t / min t / min t / min t / min t / min 0:00 35,9 28,8 0:00 21,7 14,6 1:00 38,4 28,6 1:00 18,8 9 2:00 40,1 28,3 2:00 16,5 4,7 3:00 41,9 28,3 3:00 14,7 1,1 4:00 43,6 28,5 4:00 13,4 -1,7 5:00 44,9 28,7 5:00 12,5 -3,7 6:00 46,3 29 6:00 11,7 -5,6 7:00 47,7 29,5 7:00 11,3 -6,9 8:00 48,8 29,8 0,16 19 6,839 9:00 50,1 30,4 0,16 19,73 7,101 10:00 51,2 30,9 0,16 20,26 7,292
t / min H/W 0:00 2,566 1:00 3,528 2:00 4,276 3:00 4,874 4:00 5,437 5:00 5,823 6:00 6,227 7:00 6,541 8:00 6,839 9:00 7,101 10:00 7,292
10
GRAFICOS
11
2) yeso carton t / min 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00
Columna 1 &J_A11 / °C 40 41,3 43,8 46,4 48,7 50,6 52,4 54,2 55,6 57,5 57,6
Columna Columna Columna Columna 2 3 4 5 &J_A12 / °C K / W/m°C &DT / °C H / W 28,9 0,18 11,14 4,511 29,7 0,18 11,67 4,725 30,5 0,18 13,27 5,374 31,6 0,18 14,87 6,022 32,4 0,18 16,33 6,612 33,5 0,18 17,1 6,924 34,5 0,18 17,91 7,255 35,8 0,18 18,34 7,427 37 0,18 18,62 7,54 38,3 0,18 19,19 7,771 39,3 0,18 19,22 7,91
Columna Columna 1 2 t / min H/W 0:00 4,511 1:00 4,725 2:00 5,374 3:00 6,022 4:00 6,612 5:00 6,924 6:00 7,255 7:00 7,427 8:00 7,54
12
9:00 10:00
7,771 7,41
13
3) viruta de madera
Columna Columna Columna Columna Columna 1 2 3 4 5
t / min 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00
&J_A11 / &J_A12 / °C °C K / W/m°C &DT / °C H / W 33,7 29,8 0,039 3,91 0,343 36,7 30,2 0,039 6,44 0,565 39,2 30,7 0,039 8,56 0,751 41,8 32,3 0,039 9,48 0,832 43,8 32,9 0,039 10,89 0,956 45,7 33,9 0,039 11,81 1,036 47,5 34,8 0,039 12,63 1,108 49,2 36,3 0,039 12,86 1,128 50,8 37,5 0,039 13,33 1,17 52,1 38,7 0,039 13,41 1,177 53,5 40 0,039 13,5 1,184
grafica t / min 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00
Columna 1 H/W 0,343 0,565 0,751 0,832 0,956 1,036 1,108
14
7:00 8:00 9:00 10:00
1,128 1,17 1,177 1,184
15
En estos gráficos y tablas pudimos notar de qué forma y en que velocidad de tiempo estos objetos del laboratorios adquirían calor, y en que forman varia el tiempo es decir cuánto demoraba estos en adquirir calor. Esta actividad fue realizada en un tiempo adecuado de 10 minutos y pudimos notar que cada uno tenía formas distintas de calentarse unos demoraban tiempo mientras que otros no . Observamos que las placas que conducen más calor es la del poliéster y la de yeso de cartón.. Determinando de igual forma el flujo de calor a través de una pared conformada por placas diferentes.
16
CONCLUSION: Con los resultados se comprueba que la transferencia de calor por conducción es un proceso mediante el cual fluye el calor desde una región de alta temperatura a una región de baja temperatura dentro de un medio o entre medios diferentes en contacto físico directo. Los valores de conductividad térmica dependen del material y de la temperatura. Un material será mejor conductor de calor mientras mayor sea su la conductividad del mismo. Debido a que se comprobaron los valores de temperatura, se observa que existe un estado estacionario ya que en la misma no se observó variación con respecto al tiempo.
17
CUESTIONARIO
18
19
