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: Transf ransferen erencia cia de energía energía que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias de temperatura.
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: Transf ransferen erencia cia de energía 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
¿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
ECUACIONES En el caso limite de Δx
0
Depende del material
Ley de Fourier
Donde: x
Espesor
∆T
Diferencia de temperatura
k A
Constante de conductividad térmica del material Área normal a la transferencia de calor
8. 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.
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/(m°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″
•
•
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.
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.
ECUACIONES La tasa de transferencia de calor por convección, se determina a partir de la ley de enfriamiento de Newton, expresada como:
Donde: T s Temperatura de la superficie T f Temperatura del fluido lejos de la superficie h Coeficiente de transferencia de calor por convección A Área a la cual ocurre la transferencia de calor
COEFICIENTES DE CONVECCIÓN Los valores representativos de este coeficiente en (W/m2.K) se encuentran en intervalos de:
Ejemplo
Transferencia de Calor por Radiación
•
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)
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 )
Emisividad de algunos materiales
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)
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 Convección:h = 35 W/(K.m2) Emisividad = ε = 0.6
Área superficial = 0.02 m2
Qtotal=Qconvección+Qradiación =1000 W Q hAT (35W / K .m 2 )(0,02m2 )(T s Q 0,7(T s
293 K )
293)W
.
Q A(T s4 T 04 ) 0,6(0,02m 2 )(5,67 *10 8 w / m 2 . K 4 )[T s4 (293 K ) 4 ] .
Q radiacion
0,06804 *10 8 [T
1000W 0,7(T s
(293 K ) 4 ]
293 K ) 0,06804 *10
T
8
[T s4 (293 K ) 4 ]
947 K 674C
Una persona está de pie en una habitación con brisa
a
20 C. °
transferencia
Determine
la
tasa
total
de
de calor desde esta persona si el
área superficial expuesta y la temperatura de su piel son 1.6m2 y 29 C, °
respectivamente, y el
coeficiente de transferencia de calor por convección es de 6W/(m2 C). °
Qrad = E A( 4 − 4 ) ∈ = Emisividad piel humana (0.95)
A = Área = 1.62 Ts= Temperatura absoluta Te= Temperatura entorno = Constante = 5.67 10−8
1°C = 274.15 °K Q Rad = ( 4 − 4 ) = 0.95(5.67 10−8 /2 . 4 )1.62 (29 + 274.15)4 – (20 + 274.15)4 4 = 82.66 W
