practica 4- lab de transferencia
Post on 10-Feb-2016
222 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Republica Bolivariana de VenezuelaMinisterio del poder Popular para la Educación Universitaria
Universidad Nacional Experimental PolitécnicaVice-Rectorado L.C.M.
Laboratorio de Transferencia de Calor
Practica #4
Radiación de intensidad (Cambiando ángulo, distancia y área de
observación)
Profesor: Integrantes:
Caracas, 30 de Enero de 2014
Introducción
En el presente informe se realizara una práctica sobre la radiación de
intensidad con el fin de determinar el calor transmitido hacia un cilindro hueco,
variando su posición por la cual es sometido a un calentamiento mediante una
termopila para luego medir su poder emisivo en distintos ángulos y en
diferentes distancias, además variando el área de observación (con reflector y
sin reflector). Una vez tomada las determinadas medidas se observará lo que
ocurre mediante una grafica (poder emisivo vs distancia).
Marco teórico
Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un
cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación
electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la
longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la
radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de
0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y
la infrarroja del espectro electromagnético. Si un objeto de emisión de radiación
cumple con las características físicas de un cuerpo negro en equilibrio
termodinámico, la radiación se llama radiación de cuerpo negro. La ley de
Planck describe el espectro de radiación de cuerpo negro, que sólo depende de
la temperatura del objeto. La ley de desplazamiento de Wien determina la
frecuencia más probable de la radiación emitida, y la ley de Stefan-Boltzmann
da la intensidad radiante.
La radiación térmica es la emisión de ondas electromagnéticas de toda
la materia que tiene una temperatura mayor que el cero absoluto. Se
representa una conversión de la energía térmica en energía electromagnética.
Resultados de energía térmica en energía cinética en los movimientos
aleatorios de átomos y moléculas en cuestión. Toda la materia con una
temperatura de, por definición, está compuesto por partículas que tienen
energía cinética, y que interactúan entre sí. Estos átomos y moléculas están
compuestos de partículas cargadas, es decir, los protones y los electrones y las
interacciones cinéticas entre las partículas de materia resultado a cargo de
aceleración y dipolo-oscilación. Esto da como resultado la generación
electrodinámica de campos eléctricos y magnéticos acoplados, lo que resulta
en la emisión de fotones, radiación de energía fuera del cuerpo a través de su
límite de la superficie. La radiación electromagnética, o luz, no requiere de la
presencia de materia para propagar y viaja en el vacío del espacio infinitamente
lejos si obstrucciones.
Las características de la radiación térmica depende de varias
propiedades de la superficie en la que está emanando de, incluyendo su
temperatura, su capacidad de absorción espectral y la potencia de emisión
espectral, tal como se expresa por la ley de Kirchhoff. La radiación no es
monocromática, es decir, que no consiste sólo de una sola frecuencia, pero
comprende una dispersión continua de las energías de los fotones, su espectro
característico. Si el cuerpo radiante y de su superficie está en equilibrio
termodinámico y la superficie tiene capacidad de absorción perfecta en todas
las longitudes de onda, que se caracteriza como un cuerpo negro. Un cuerpo
negro es también un emisor perfecto. La radiación de estos emisores perfectos
se denomina radiación de cuerpo negro. La relación de cualquier cuerpo de
emisiones respecto a la de un cuerpo negro es emisividad del cuerpo, de modo
que un cuerpo negro tiene una emisividad de la unidad.La materia en un estado
condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La
frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de
probabilidad que depende solo de la temperatura.
Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro
correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su
composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de
probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación
térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más
probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad
de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de
la temperatura absoluta).
A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado
que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se
los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos
debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos.
Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color,
pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.
La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de
su radiación emitida se utiliza en los pirómetros.
La distribución de la energía que un cuerpo negro emite con frecuencia variable
se describe por la ley de Planck. A cualquier temperatura dada, hay un fmáx
frecuencia a la que la potencia emitida es un máximo. La ley de
desplazamiento de Wien, y el hecho de que la frecuencia de la luz es
inversamente proporcional a su longitud de onda en el vacío, significan que el
fmáx frecuencia de pico es proporcional a la temperatura absoluta T del cuerpo
negro. La fotosfera del Sol, a una temperatura de aproximadamente 6000 K,
emite principalmente radiación en la porción visible del espectro
electromagnético. La atmósfera de la Tierra es parcialmente transparente a la
luz visible y la luz que llega a la superficie es absorbida o reflejada. Superficie
de la Tierra emite la radiación absorbida, aproximar el comportamiento de un
cuerpo negro a 300 K con el pico espectral a fmáx. A estas frecuencias más
bajas, la atmósfera es en gran parte opaca y la radiación de la superficie de la
Tierra es absorbida o dispersada por la atmósfera. Aunque parte de la
radiación se escapa hacia el espacio, la mayor parte es absorbida y
posteriormente re-emitida por gases atmosféricos.
Transmisión de calor por radiación
Por radiación la energía se transporta en forma de ondas
electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. La radiación
electromagnética que se considera aquí es la radiación térmica. La cantidad de
energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la
temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie. Un radiador perfecto o
cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie por
unidad de tiempo qr dada por la ecuación:
Para evaluar la transferencia neta de energía radiante requiere una
diferencia en la temperatura superficial de dos o más cuerpos entre los cuales
tiene lugar el intercambio. Si un cuerpo negro irradia a un recinto que lo rodea
completamente y cuya superficie es también negra (es decir absorbe toda la
energía radiante que incide sobre él, la transferencia neta de energía radiante
por unidad de tiempo viene dada por:
T1: Temperatura del cuerpo negro en Kelvin
T2: Temperatura superficial del recinto en Kelvin
Si a una temperatura igual a la de un cuerpo negro emiten una fracción
constante de la emisión del cuerpo negro para cada longitud de onda, se
llaman cuerpos grises. Un cuerpo gris emite radiación según la expresión:
El calor radiante neto transferido por unidad de tiempo por un cuerpo gris
a la temperatura T1 a un cuerpo negro que le rodea a la temperatura T2 es:
Donde Ɛ1 es la emitancia de la superficie gris, igual a la relación entre la
emisión de la superficie gris y la emisión de un radiador perfecto a la misma
temperatura.
Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto, pero poseen
entre sí una determinada relación geométrica, el calor radiante neto transferido
entre ellos viene dado por:
Donde F1-2 es un módulo que modifica la ecuación de los radiadores perfectos
para tener en cuenta las emitancias y las geometrías relativas de los cuerpos
reales.
Si la radiación emitida por un cuerpo se hace incidir sobre un prisma, se
descompone en radiaciones monocromáticas cuyo conjunto se denomina
“espectro”. Cada radiación monocromática corresponde a una determinada
longitud de onda λ, que está relacionada con la velocidad de propagación c por
la ecuación: λ = c. T. D0onde T es el período correspondiente al fenómeno
periódico al cual responde la radiación.
Por otra parte, T = 1 / υ; siendo υ la frecuencia.
El espectro se puede dividir en tres zonas:
1. zona infrarroja: constituida por radiaciones de longitud de onda superiores
a 0,8 μ.
2. zona luminosa o visible, cuyas radiaciones poseen longitudes de onda
comprendidas entre 0,4 y 0,8 μ. e impresionan la retina humana.
3. zona ultravioleta, cuyas longitudes de onda son inferiores a 0,4 μ.
La energía radiante es emitida por toda la materia del cuerpo, pero en
general, en su interior la energía emitida por cada punto es nuevamente
absorbida por eso solamente se libera la energía correspondiente a una
delgada capa de la superficie del cuerpo. No solo depende de la temperatura
de la superficie sino también de su naturaleza.
Propiedades
Hay cuatro características principales que caracterizan a la radiación térmica:
La radiación térmica emitida por un cuerpo a cualquier temperatura se
compone de una amplia gama de frecuencias. La distribución de
frecuencia está dada por la ley de Planck de la radiación del cuerpo
negro de un emisor idealizada.
El rango de frecuencia dominante de la radiación emitida se desplaza
hacia frecuencias más altas como la temperatura de los aumentos de
emisor. Por ejemplo, un objeto caliente rojo irradia principalmente en las
largas longitudes de onda de la banda visible. Si se calienta más,
también comienza a emitir cantidades perceptibles de luz verde y azul, y
la propagación de las frecuencias en todo el rango visible causar que
aparecen de color blanco para el ojo humano, sino que está caliente
blanco. Sin embargo, incluso a una temperatura al rojo vivo de 2000 K,
99% de la energía de la radiación se encuentra todavía en el infrarrojo.
Esto se determina por la ley del desplazamiento de Wien.
La cantidad total de radiación de todas las frecuencias aumenta
abruptamente cuando la temperatura se eleva, sino que crece como T4,
donde T es la temperatura absoluta del cuerpo. Un objeto en la
temperatura de un horno de cocina, alrededor de dos veces la
temperatura ambiente en la escala de temperatura absoluta irradia 16
veces más energía por unidad de área. Un objeto en la temperatura del
filamento de una bombilla, aproximadamente 3.000 K incandescente, o
10 horas a temperatura ambiente, irradia 10.000 veces más energía por
unidad de área. La intensidad de la radiación total de un cuerpo negro se
eleva como la cuarta potencia de la temperatura absoluta, tal como se
expresa por la ley de Stefan-Boltzmann.
Procedimiento
Materiales a utilizar:
1. Regleta de termopila
2. Cilindro calentador
3. Fuente de poder (120 voltios)
4. Multímetro (tester)
5. Reflector
Pasos a realizar:
1. Montar la termopila en dirección a la pista corta frente a la fuente de
calor cilíndrico
2. Después de haber alcanzado el equilibrio térmico, el objetivo de la
termopila en la fuente de calor es registrar la fuerza electromotriz, el
ángulo θ1 y la distancia R del ángulo de observación θ1, puede ser
leído directamente en la termopila o se calcula a partir de la distancia R
y la altura H, tomar una serie de lecturas con la fuente de calor a
diferentes alturas, trazar la fem en función de la temperatura.
3. Después de realizar las mediciones anteriores se procedió a colocar el
reflector en la termopila con la hendidura paralela con la superficie de la
mesa.
4. Colocar el escudo grande alrededor del elemento calentador de la fuente
de calor cilíndrico para obtener un calentamiento uniforme
Tabla de datos
Datos del Reflector:
Largo: 2,18 cm
Ancho: 1,7 mm
Cilindro: 15cm de alto
Diámetro Exterior: 11,49cm.
Diámetro Interior: 10,1 cm.
Distancia de la termopila al cilindro: 26,2 cm.
Tiempo en vencer la inercia: 2 min.
Tiempo en vencer la resistencia térmica a 2,2 mv: 33 min.
Nº Distancia
(cm)
Área del Reflector
(cm2)
Angulo Temperatura
(°C)
Radiación
(mv)
H del cilindro
(cm)
H media del
cilindro(cm)
1 26,2 α1 131 2,2 11,6 5,82 26,2 0.37 α1 131 0,1 11,6 5,83 26,2 α1 133,3 2,1 11,6 5,84 26,2 0.37 α1 133,3 0,1 11,6 5,85 27,9 α2 137,6 2,5 14,7 6,756 27,9 0.37 α2 137,6 0,1 14,7 6,757 27,9 α2 139,3 2,4 14,7 6,758 27,9 0.37 α2 140 0,1 14,7 6,75
Graficas
Termopila con α1 medidas 1 y 2:
Termopila con α1 medidas 3 y 4:
0 5 10 15 20 25 300
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Termopila
Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector
Distancia (cm)
Pode
r Em
isivo
(mv)
0 5 10 15 20 25 300
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Termopila
Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector
Distancia (cm)
Pode
r Em
isivo
(mv)
Termopila con α2 medidas 5 y 6:
Termopila con α2 medidas 7 y 8:
0 5 10 15 20 25 300
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Termopila
Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector
Distancia (cm)
Pode
r Em
isivo
(mv)
0 5 10 15 20 25 300
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Termopila
Termopila sin ReflectorTermopila con Reflector
Distancia (cm)
Pode
r Em
isivo
(mv)
Análisis de resultados
En los datos obtenidos se puede apreciar como el poder emisivo varía en proporción a la distancia determinada, de lo cual se observa la diferencia de poder emisivo según sea el caso, a su vez este factor fue influenciado por una restricción (reflector) , debido a esto se observó cómo disminuía el poder emisivo captado.
En las graficas se observa de manera más clara el comportamiento para cada uno de los casos de lo cual podemos decir:
Para el ángulo de 5,32º:
Indistintamente de la distancia tomada el poder emisivo del cilindro hueco fue la misma, esto se observa como una línea constante en la gráfica, pero cuando se utilizó la restricción obviamente el poder emisivo disminuyo debido a que el área de captación fue reducida.
Para el ángulo de 13,72º:
A igual que el caso anterior, se observó cómo el poder emisivo no vario en función de la distancia, pero si cambio al colocar la restricción, disminuyendo el poder calorífico drásticamente.
Podemos acotar que la variación de poder emisivo al cambiar la distancia fue insignificante, debido a que la distancia a la que fue desplazada fue muy pequeña.
Conclusiones
Como observamos en el informe, se analizó la forma de medir o de calcular el poder emisivo, cambiando la distancia y el ángulo de medición, obteniendo datos específicos, algunos constantes y otros distintos, de los cuales podemos mencionar, que al calcular el poder emisivo con el primer ángulo tomado, sin restricción alguna y aun así se variara la distancia, el poder emisivo seria el mismo, lo cual tiene un sentido lógico pues la distancia de separación utilizada el ensayo fue muy poca (5 cm), de esta manera el poder emisivo del cilindro no varía mucho. Procediendo hacer la misma prueba pero con otro ángulo obtenemos valores semejantes al utilizado anteriormente, esta semejanza de datos obtenidos lo podemos comprobar o adjudicar con el hecho de que la diferencia de ángulos fue mínima y por lo tanto la variación del poder emisivo seria poca.
En ambos casos al utilizar el área restringida observamos cómo el poder emisivo disminuye drásticamente, esto ocurre porque estamos disminuyendo la captación o el área de observación del poder emisivo que irradiaba el cilindro, ocasionado una disminución drástica tomando en cuenta que el área de captación de la restricción es muy pequeña.
Un inconveniente desafortunado presente en la práctica fue no haber tomado lectura de la temperatura para cada caso, esto nos hubiese permitido calcular el calor emanado por el cilindro.
Bibliografía
Campodocs. Disponible en Línea: http://campodocs.com/articulos-para-saber-mas/article_43309.html [Consulta: Enero 2015].
UNET. Disponible en Línea: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-165.html [Consulta: Enero 2015].
UA31. Disponible en Línea: http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3 n_t%C3%A9rmica [Consulta: Enero 2015].
Textoscientificos. Disponible en Línea:http://www.textoscientificos.com/fisica/ transmision-calor/radiacion [Consulta: Enero 2015].
ECURED. Disponible en Línea: http://www.ecured.cu/index.php/Radiaci%C3 %B3n_t%C3%A9rmica [Consulta: Enero 2015].
top related