demostracion de la ecuacion diferencial de conduccion del calor en coorddenadas esfericas

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Page 1: Demostracion de La Ecuacion Diferencial de Conduccion Del Calor en Coorddenadas Esfericas

DEMOSTRACION DE LA ECUACION DIFERENCIAL DE CONDUCCION DEL CALOR EN COORDDENADAS ESFERICAS

1- INDICE

2- FUNDAMENTO TEORICO................................................................................2

3- ESQUEMA.........................................................................................................4

4- DESARROLLO..................................................................................................5

5- CONCLUSION.................................................................................................12

6- APRECIACION CRÍTICA.................................................................................12

7- BIBLIOGRAFIA................................................................................................13

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2- FUNDAMENTO TEORICO

COORDERNADAS ESFERICAS

Definición

Las coordenadas esféricas constituyen otra generalización de las coordenadas polares del plano, a base de girarlas alrededor de un eje. Su definición es la siguiente:

La coordenada radial  : distancia al origen

La coordenada polar : ángulo que el vector de posición forma con el eje .

La coordenada acimutal : ángulo que la

proyección sobre el plano   forma con

el eje  .

Los rangos de variación de estas coordenadas

son:

El ángulo   también puede variar en el intervalo [0,2π).

La coordenada radial es una distancia siempre positiva. Si, partiendo de un punto , vamos reduciendo el valor de  , al atravesar el origen de coordenadas   vuelve a aumentar. Lo que cambian son los valores de  , que pasa a valer   y  , que pasa a

ser   

Es un error muy común el suponer que   llega hasta  , como  . Hay que recordar que

ambas coordenadas tienen significados geométricos muy diferentes.   equivale a la

longitud geográfica, mientras que   es el complementario de la latitud.

El valor   corresponde al Polo Norte. Si ahora aumentamos  , lo que hacemos es

viajar hacia al sur. El Polo Sur es  . Y es lo máximo a lo que podemos llegar. No se

puede viajar al sur del Polo Sur. Si siguiéramos recorriendo la superficie terrestre lo que

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estaríamos haciendo es ya volver hacia el norte, lo que supone reducir  . Eso sí, al pasar

por el Polo Sur, la longitud   cambia a  .

La gráfica siguiente muestra las coordenadas esféricas de un punto P

Las ecuaciones que permiten transformar las coordenadas rectangulares x, y, z de un punto P en coordenadas esféricas vienen dadas a continuación. 

Ecuación de Fourier

Si qi es debido solo a la conducción, la ecuación de Fourier establece

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Donde k es el cociente de transmisión de calor por conducción. El signo menos es debido a que el flujo de calor es en sentido contrario al crecimiento de la temperatura.

3- ESQUEMA

Hipótesis de trabajo

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El material es homogéneo (densidad es constante) e isotrópico(propiedades no varían en su dirección).

Las variaciones del volumen del elemento debido al cambio de temperatura son muy pequeñas o despreciables.

Consideremos que las propiedades físicas no cambian con la temperatura. En el cuerpo o volumen existen fuentes internas de calor que están uniformemente

distribuidas. Aplicando el principio general de la conservación de la energía. Que la energía calorífica neta importada por la transferencia de calor a través de

sus superficies más la energía calorífica importada por las fuentes internas de calor es igual a la variación de la energía del elemento de volumen considerado.

4- DESARROLLO

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5- CONCLUSIONEsta ecuación diferencial de conducción de calor es un modelo matemático que trata de semejar lo más posible describe cómo se distribuye la temperatura en un cuerpo sólido en función del tiempo y el espacio.

6- APRECIACION CRÍTICA

Para llegar a la deducción de la ecuación diferencial de conducción de calor en coordenadas esféricas hay varios métodos, nosotros escogimos el método que utilizamos limites que es más rápido y sencillo pero existe otro método donde se analiza más profundo y se ve el cambio de área a la entrada y de salida de cada uno de sus ejes, de dicho método solo haremos su gráfica.

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7- BIBLIOGRAFIA

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Coordenadas_esf%C3%A9ricas._Definici%C3%B3n

http://www.ehu.es/~mtpalezp/mundo/ana2/esfericas

http://www3.nd.edu/~msen/MecFl.pdf

Incropera, Frank y De Witt, David, Fundamentos de Transferencia de Calor (1999), Cuarta Edición

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