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7/22/2019 Termod II 13 Tranf. de Calor (1)
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CALORIMETRIA
Lf,v Lf : calor latente de fusin
Lv: calor latente de vaporizacin
Qfrio=Qcaliente
m1c1(T
fT
1) =m
2c2(T
fT
2)
Calor (Q): Energa en transito de un cuerpo que se
halla a una temperatura mayor hacia otro que
est a temperatura menor, con el fin de igualarambas a una temperatura de equilibrio. Las
unidades son: Cal, J, etc.
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CALORES ESPECFICOS DE ALGUNAS SUSTANCIAS A25C Y UNA ATMOSFERA DE PRESIN ATMOSFRICA
CALOR ESPECFICO
SUSTANCIA J/KG C CAL/G C
SLIDOS ELEMENTALES
ALUMINIO
BERILIO
CADMIO
COBRE
GERMANIO
ORO
HIERRO
PLOMO
SILICIO
PLATA
900
1830
230
387
322
129
448
128
703
234
0.215
0.436
0.055
0.0924
0.077
0.0308
0.107
0.0305
0.168
0.056
OTROS SLIDOS
LATN
VIDRIO
HIELO (-5C)MRMOL
MADERA
380
837
2090860
1700
0.092
0.200
0.500.21
0.41
LQUIDOS
ALCOHOL (ETLICO)
MERCURIO
AGUA (15C)
2400
140
4186
0.58
0.033
1.00
GAS
VAPOR (100C) 2010 0.48
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CALORES LATENTES
Sustancia Punto de fusin(C)
Calor latente defusin (J/kg)
Punto deebullicin
Calor Latentede
vaporizacin
Helio
Nitrgeno
OxgenoAlcohol etlico
Agua
Azufre
Plomo
Aluminio
Plata
Oro
Cobre
-269.65
-209.97
-218.79-114
0.00
119
327.3
660
960.80
1063.00
1083
5.23x105
2.55x104
1.38x1041.04x105
3.33x105
3.81x104
2.45x104
3.97x105
8.82x104
6.44x104
1.34x105
-268.93
-195.81
-182.9778
100.00
444.60
1750
2450
2193
2660
1187
2.09x104
2.01x105
2.13x1058.54x105
2.26x106
3.26x105
8.70x105
1.14x107
2.33x106
1.58x106
5.06x106
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La energa requerida para aumentar la temperatura de 0.50 kg de
agua en 3C es:
EJERCICIOS
Q = m Ce T= (0.5kg)(4186 J/kg
C)(3
C) = 6.28 x 10
3
J.
Un lingote metlico de 0.050 kg se calienta hasta 200C y acontinuacin se introduce en un vaso de laboratorio que contiene 0.4 kgde agua inicialmente a 20C. si la temperatura de equilibrio final delsistema mezclado es de 22.4 C, encuentre el calor especfico del metal.
Qfrio=Qcaliente
m1c1(T
fT
1) =m
2c2(T
fT
2)
c2=(0.4)(4186)(22.4 20)/((0.050)(200 22.4)) = 452.54 J/kg C
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TRANSFERENCIA DE CALOR
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TRANSFERENCIA DE CALOR
Se puede definir como la
transmisin de energa de
una regin a otras, como
producto de la diferencia de
la temperatura entre ellas.
El flujo de calor se rige por
una combinacin de variasleyes fsicas independientes.
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CLASIFICACIN DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCION
Transferencia de energa desde cada porcin demateria a la materia adyacente por contacto directo, sinintercambio, mezcla o flujo de cualquier material.
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CONVECCION
Transferencia de energa mediantela mezcla ntima de distintas partesdel material: se produce mezcladoe intercambio de materia.
Conveccin natural: el origen delmezclado es la diferencia de
densidades que acarrea unadiferencia de temperatura.
Conveccin forzada: la causa delmezclado es un agitador mecnico ouna diferencia de presin
(ventiladores, compresores...)impuesta externamente.
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RADIACION
Transferencia de energa mediada por ondaselectromagnticas, emanadas por los cuerpos calientesy absorbidas por los cuerpos fros.
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MECANISMOS DE CONDUCCIN Por este mecanismo el
calor puede ser conducido atravs de slidos, lquidos y
gases.
La conduccin se verifica
mediante la transferencia de
energa cintica entre molcula
adyacentes.
En la conduccin la
energa tambin se transfiere
por medio de electrones
libres, un proceso muy
importante en el calentamiento
Mercurio Hg
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APLICACIONES INDUSTRIALES
Intercambiadores de calor.
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Industrias de Alimentos.
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Aire acondicionado.
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CORRIENTE CALORFICA
La corriente calorfica se define como la cantidad decalor Qtransferida por unidad de tiempo t en ladireccin de mayor temperatura a menor temperatura.
Unidades tpicas son: J/s, cal/s y Btu/h
x
TA
t
Q
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LEY DE CONDUCCIN DE CALOR
dx
dTkAP
Donde : P: potencia Q: calor t: tiempo
k:es la conductividad trmica A: rea de la seccin transversaldT/dx es el gradiente de temperatura. t: tiempo
T2
T1
Flujo de calor por T2 >T1
A
dx
t
QP
Permite cuantificar la rapidezdel flujo de calor por
conduccin y establece que:
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Una gran ventana de vidrio mide 2 mde ancho y 6 mde alto. La superficie interior est a 20 0Cy lasuperficie exterior a 12 0C. Cuntos joules de calor
pasan a travs de esta ventana en una hora?Suponga L =1.5 cmy que k = 0.8 J/s m C0.
Q = 18.4 MJ
Un tubo de vapor se cubre con un material aislante de 1.5cm de espesor y 0.200 cal/cm C s de conductividadtrmica. Cunta energa se pierde cada segundo porcalor cuando el vapor est a 200C y el aire circundante
se encuentra a 20 C? El tubo tiene una circunferencia de20 cm y una longitud de 50 cm. Ignore las prdidas atravs de los extremos del tubo.
24,000 cal/s
f 2
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La pared de una plantacongeladora est compuesta
de 8 cmde tablero de corchoy 12 cmde concreto slido.La superficie interior est a -200Cy la superficie exterior a
+250
C. Cul es latemperatura de la interfaz ti?k = 0.04 J/s m C0y k =0.8J/s m C0 ,respectivamente
ti
250C-200C
8 cm 12 cm
Flujoestacionario
Concretocorcho
ti= 21.90C
Una caja con un rea de superficie total de 1.20 m2yuna pared de 4.00 cm de espesor est hecha con unmaterial aislante. Un calefactor elctrico de 10.0 Wdentro de la caja mantiene la temperatura interior a
15.0 C sobre la temperatura exterior. Encuentre laconductividad trmica k del material aislante.
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6 m
250C 400C 4 m
*
0.15 m
El techo de concreto de una casa mide 4 x 6 m de 0.15 m de espesor. La temperaturaen el exterior es de 400C y en el interior es de 250C. La kdel concreto es de 0.8 w/mk.
(a) evale la razn de la transmisin de calor del techo. (b) El costo el dueo de la casasi se usa un aparato que mantiene esas condiciones del interior por 8 horas cuando laenerga tiene un costo de $0.694 el Kw/hr.
Clculo del flujo de calor a travs del tabique de una habitacin, de 34cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 C y 5C respectivamente. Tmese como valor de la conductividad k= 0.25
Wm-1K -1.
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PERFIL DE TEMPERATURA
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CONDUCCIN EN UNA BARRA
Aislante
Flujo de
energa
L
T1
T2
T2>T1
L
TT
dx
dT12
L
TTkAP 12
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CONDUCTIVIDADES TRMICASSustancia
Metales (a 25C) Conductividad trmica (W/m c)
Aluminio
Cobre
Oro
Hierro
Plomo
Plata
238
397
314
79.5
34.7
427
No metales (valores aproximados)
Asbestos
Concreto
Diamante
Vidrio
Hielo
Caucho
Agua
Madera
0.08
0.8
2300
0.8
2
0.2
0.6
0.08
Gases (a 20C)
Aire
Helio
Hidrgeno
Nitrgeno
Oxgeno
0.0234
0.138
0.172
0.0234
0.0238
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Resistencias trmicas
Cuando el calor se transfiere a travs de una pared aparece una
resistencia a la conduccin
x
TTk
A
P12
x
T1 T2 x/kTT12
Conductividad
R
TT12
R
T
Resistencia trmica en W-1m2K
Similitud con circuitos elctricos
R
I
0V R
VI 0
R
T
A
Q
A
m
b
i
e
n
t
a
l
F
s
i
c
a
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EjemploCalclese la resistencia trmica de lapared de un refrigerador, formada por trescapas de material, cuyos espesores son,de dentro afuera 2 cm, 10 cm y 3 cm. Lasconductividades trmicas de los tresmateriales son, respectivamente, 0.25,0.05 y 0.20 W m-1 K-1.
2 10 3(cm)