mecanismos de transferencia de calor

Universidad Católica de Santa María

Programa Profesional de Ingenierías de Sistemas

Mecanismos de transferencia de calor

Heat transfer mechanisms

CUADROS VALCARCEL SEBASTIAN JESUS

DEL CARPIO BERNEDO PAULA LIZANDRA

DEZA PANDIA DALIA KIMBERLY

DIAZ CHOQUE YOSELIN RAQUEL

El objetivo de este artículo es poder

explicar de una manera clara y general

cada una de las formas de transmisión

del calor, y poder establecer

diferencias propias entre cada una de

las posibles formas, ya que se

encontró que en cada una de ellas

existen subdiferencias que logran

abarcar todos los casos posibles de

transmisión de calor para cada

mecanismo. Para esto los métodos

que empleamos fueron

experimentales, los cuales nos

llevaron a deducir que el uso de

algunos métodos numéricos serían

óptimos para calcular y comprobar los

resultados de los experimentos

expuestos, con las ecuaciones de

cada forma de transmisión de calor.

En el artículo se explica que al

referirnos a una transmisión por

conducción, ésta es producida a

través de objetos sólidos; en cambio,

la transmisión por convección es

propia de los fluidos, que son los

gases y los líquidos; y en la

transmisión por radiación se entendió

que no se necesita de ningún medio o

agente de transporte, y que podría ser

posible en el vacío. Y es así que

encontramos una de las principales

diferencias entre los tres mecanismos

de transmisión de calor, para esto, se

desarrollan algunos ejemplos que se

RESUMEN


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encuentran en la vida real, donde se

relacionan los conceptos con lo

abstraído de los ejemplos.

Palabras claves:

Calor

Transmisión por conducción

Transmisión por convección

Transmisión por radiación

The aim of this article is to explain in a

clear and generally way each of the

forms of heat transfer manner, and to

establish themselves among each of

the possible forms differences, as it was

found that in each there sub differences

that cover all possible cases of heat

transfer for each mechanism. To this,

we explains that when referring to a

transmission by conduction, it is

produced through solid objects;

however, the transmission is self

convection of fluids, which are gases

and liquids; and transmitting radiation

was understood not need any means or

use experimental methods, which led us

to conclude that the use of some

transport agent, and it may be possible

in a vacuum. And so we find one of the

numerical methods would be optimal to

calculate and check the results of the

experiments reported, with each form

equations heat transfer. In the article it

main differences between the three

heat transfer mechanisms for this, some

examples found in real life, where

abstracted concepts with examples

relate develop.

Key words:

Heat

Transmission by conduction

ABSTRACT



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Transmission by convection

Transmission by radiation

Nuestros organismos, así como otros

cuerpos, cuentan con mecanismos

capaces de hacer que nuestra

temperatura sea constante, o de igual

manera, a que mantengamos cierta

cantidad de calor, así como la

temperatura, el calor ocupa un papel

esencial, pero es necesario resaltar la

diferencia que hay entre el ambos, ya

que son palabras que han sido

confundidas al no saber el significado

de cada una de ellas.

Al referirnos de temperatura, según la

enciclopedia: “Es una magnitud

referida a las nociones comunes de

calor, frío, templado o tibio, medible

mediante un termómetro”1

En cambio, cuando hablamos de calor

nos referimos a una energía que “se

transporta o se mueve mediante un

gradiente de temperatura”2, nos

referimos a la energía transmitida a un

cuerpo de mayor temperatura hacia

otro cuerpo de menor temperatura.

Sería correcto afirmar que el fenómeno

de transmisión de calor es tan común

como la gravedad. Si vemos

diferentes situaciones donde se

transmite calor, una de ellas puede ser

donde un soldador calienta una pieza

de metal que cede al calor a través de

la punta del soldador hasta llegar a

soldarse; podemos diferenciar ese tipo

de transmisión con esta otra situación

en donde el secador de pelo mediante

un ventilador se encarga de enviar el

aire caliente al pelo; otra forma de

transmitir calor que se puede

representar mediante una lámpara de

cuarzo en donde sólo se calientan los

objetos que están directamente frente

al campo de radiación. Así podemos

diferenciar que existen 3 formas en las

que el calor se puede transmitir. En

este artículo explicaremos las tres

formas posibles de transmisión de

calor, es decir pasar de una parte a

otra de un mismo cuerpo o pasar de un

cuerpo a otro, estas formas se dan a

través de la conducción, la convección

y la radiación. Cada una de estas

formas son comunes porque se

pueden percibir en diversas

INTRODUCCIÓN


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situaciones de la vida real. Al explicar

cada uno de estos mecanismos,

podremos diferenciar y darnos cuenta

que mecanismo es usado en cada

situación que detectemos la

transmisión del calor.

En relación a las presentaciones de lo

aplicativo usualmente se muestran tres

tipos de modos de transferencia, estos

desarrollan procesos de conducción de

calor con respecto a la transferencia o

no de materia. En lo específico de las

aplicaciones sitúan recursos, procesos

y cambios a razón de estudiar los

diferentes tipos de transmisión de calor,

por referencia a usos cotidianos en

campos donde se aplica el calor, como

la soldadura aplicando un material que

digiere un cambio en su materia para la

inclusión de otro recurso, sin embargo,

no todos los materiales digieren el calor

de la misma forma en relación a otros

recursos. Se plantea como medio de

transformación en la composición de la

materia difiriéndose en torno a un uso

diferente, una aplicación en común, se

mide por diferentes tamaños de

muestra en torno a medidas como es el

caso de un termómetro que mide el

grado de calor del paciente, situándose

este instrumento en áreas donde se

puede hallar una muestra más idónea

respecto al calor presente o como es el

caso de una lámpara que induce el

calor por medio del campo donde ejerce

su iluminación, el campo donde percibe

la iluminación empieza a mostrar un

cambio en su temperatura, e relación,

una lámpara puede dar calor es un

entorno donde el campo pueda recibir

el calor y cambiar según su

composición, tal como este caso se

puede plasmar una serie de

características sesgándolo en tramos

de cambios en la materia.

Transmisión por Conducción:

Para mostrar como es este tipo de

transmisión, se experimentó con un

recipiente metálico, lleno con agua, el

cual se expuso al fuego. Así se pudo

observar que las llamas calientan el

metal porque los gases de combustión

están en contacto con el fondo y el calor

que se transmite es por conducción, ya

que las moléculas del metal tienen

vibraciones producidas por el calor.

Para esta forma de transmisión

MATERIALES Y MÉTODOS



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podemos utilizar el segundo principio

de la termodinámica.

Esto determina que el calor fluye de un

cuerpo caliente a un cuerpo frio en

todos los casos. Una relación

cuantitativa entre el flujo y las

variaciones espaciales y temporales de

la temperatura es la que propone la ley

de Fourier. (Fig. 1)

Fig. 1

Transmisión por Convección:

Para poder demostrar esta forma de

transmisión, se experimentó con un

mechero que calentaba un espiral de

papel, a los pocos segundos, de

cómodo que el aire se calentaba, el

espiral de papel giraba con la reacción

del fuego.

De esta manera notamos que la

transmisión de calor no fue

directamente por medio de materia,

sino de fluidos, ya que el aire calentado

por el fuego ocasiono el movimiento del

papel, transmitiéndole también el calor

aún estando lejos del cuerpo.

Transmisión por Radiación:

Uno de los ejemplos más claros que

encontramos para demostrar esta

forma de transmisión es en un

microondas, donde se observa desde

un punto de vista físico, en el cual, la

energía que origina hace que las

moléculas del cuerpo afectado vibren,

esto produce ondas de frecuencia

inferior, pero de igual manera, la

transmisión se produce, podemos así

observar que la transmisión por

radiación se produce desde niveles de

energía altos a niveles de energía

bajos, donde no es necesario un

conducto de transporte, como se ve en

el experimento.


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Con los métodos realizados en cada

una de las formas de transmisión de

calor se obtuvo los siguientes

resultados:

Transmisión por Conducción:

En esta forma de transmisión es

necesaria la interacción entre átomos y

la energía cinética que poseen al

recibir corrientes de calor.

La manera en que este tipo de

transmisión se da es por el movimiento

de los átomos en regiones más

calientes, que al poseer mayor energía

cinética que los demás, alteran y

comparten la energía de sus

adyacentes, propagando el calor en

toda la molécula.

En los metales existen electrones

libres, los cuales pueden conducir

energía de una manera más rápida,

propagando el calor a todo el cuerpo en

menor tiempo a comparación de otros

materiales, por eso los metales son

buenos conductores eléctricos.

Es decir, que mientras sea mayor su

constante, su conducción será mejor,

de lo contrario, su conducción sería

más deficiente.

Así como el metal, u otros cuerpos que

son capaces de transmitir o recibir

calor, es importante conocer su

constante de proporcionalidad, porque

determinara si el calor se transmite de

una manera eficiente o deficiente. De la

misma manera, el área del cuerpo es

importante ya que la corriente de

temperatura que posee es

inversamente proporcional a su área,

longitud y a la temperatura.

Entonces, para hallar la corriente de

calor en conducción, se toma en cuenta

el área, la longitud, la temperatura del

cuerpo, y su constante de

proporcionalidad. La fórmula obtenida

es:

Fig. 2

Al estar usando unidades de energía y

tiempo, en otras palabras, potencia,

sería el watt, pero como se usa la

constante k de un material, las

unidades serian W / m*K.

RESULTADOS



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Transmisión por Convección:

El movimiento de un fluido de un lugar

a otro, impulsado por algún medio que

es el que causa ese movimiento, es una

convección forzada, ejemplos de este

tipo de convección son el fluido de la

sangre en las venas, la calefacción de

aire o de agua caliente.

En cambio, el movimiento que sucede

por diferencias entre los materiales de

dos cuerpos como la densidad, que al

tener contacto con el calor se expande,

se le llama convección natural, como lo

es el ascenso del aire caliente.

El proceso de transmisión de calor por

convección es complejo, describirlo en

una ecuación simple no sería posible,

por lo que se explicarán algunos

hechos experimentales:

- El calor emitido por convección

es directamente proporcional al

área superficial del cuerpo

receptor. Así se explica las

aletas de enfriamiento y las

grandes áreas superficiales de

los radiadores.

- La convección natural es

denegada cuando se encuentra

cerca de una superficie estática

que no está en movimiento por la

viscosidad del fluido en el que se

produce la transmisión de calor.

- La corriente de calor transmitida

por convección, se aproxima

proporcionalmente a la potencia

5/4 de la diferencia que hay

entre la temperatura de la

superficie y del cuerpo donde

está el fluido.

Transmisión por Radiación:

Se sabe que todo cuerpo emite

energía, pero si hablamos de una

transmisión por radiación ¿cómo se

realiza esto?, se realiza en forma de

radiación electromagnética, quiere

decir que la energía se transporta en

forma de ondas de infrarrojo con

longitudes mayores que las de la luz

visible, se dice que las longitudes de

onda se desplazan de valores mayores

hacia valores menores. 3

El porcentaje de radiación de energía

de un cuerpo/superficie es proporcional

a su área superficial A, y aumenta con

la temperatura, este porcentaje

depende también de la naturaleza de la

superficie, esta dependencia se

describe con una cantidad “e” llamada

emisividad (un número adimensional

entre 0 y 1 que representa la relación

entre la tasa de radiación de una

superficie y la de un área igual de una


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superficie radiante ideal a la misma

temperatura).

La corriente de calor H = dQ/dt debida

a radiación de un área superficial A con

emisividad e a la temperatura absoluta

T se puede expresar como:

Fig. 3

Donde la constante física fundamental

llamada constante de Stefan –

Boltzmann.

La radiación neta de un cuerpo se

encuentra sujeto a las siguientes

premisas:

Un cuerpo a una temperatura T se dice

que está radiando, si su entorno

también posee una temperatura Ts; se

dice que un cuerpo está en equilibrio

térmico cuando su temperatura

concuerda con la de su entorno, las

tasas de radiación y absorción deben

ser iguales, de estas premisas se

puede decir que:

Fig. 4



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Como vimos previamente los

mecanismos de transmisión de calor

son comunes en nuestra vida cotidiana

desde la transición de calor del sol

hacia nosotros, la conducción de calor

de una hornilla hacia un calentador,

entre otros muchos, nos encontramos

en constante actividad y transmisión de

energía y calor, las formas que vimos

son, convección, conducción y

radiación.

El estudio experimental de las diversas

formas de transmisión del calor dio

como origen ecuaciones con las que se

puede representar cada tipo de

transmisión en específico, por medio de

un análisis profundo de los cuerpos,

calor y el medio que lo propaga.

El uso de métodos experimentales,

para poder explicar y concluir a una

ecuación en la que se pueda

representar el tipo de mecanismo de

transmisión de calor; nos lleva a un

análisis de estos mecanismos donde se

resalta y se estudia a profundidad

elementos como, cuerpos, calor,

constante del material, la cual es

importante para conocer la cantidad de

calor que se transmite al cuerpo.

DISCUSION


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Por lo tanto podemos decir que nos

encontramos en procesos constantes

donde el calor se transmite mediante

una gradiente de temperatura, o es

transferida de una región de alta

temperatura a otra de baja.

Se puede apreciar que la transferencia

de calor conecta los principios de la

termodinámica con los de flujo de

fluidos, todos los procesos de

transferencia de calor comprenden el

intercambio y/o conversión de la

energía, asumiéndose así que obedece

a la primera ley de la termodinámica y

también a la segunda.

Previamente se describieron los

mecanismos de conducción de calor,

estos mismos se encuentran presentes

en nuestra vida cotidiana desde la

conducción de calor de una hornilla

hacia un calentador, hasta la

transmisión de calor del sol hacia

nosotros, entre otros muchos, lo que

nos lleva a pensar que esta transmisión

se realiza de manera natural y continua

pero que no es la misma para todos los

casos, como vimos anteriormente

existen tres tipos, convección,

conducción y por radiación.

Se sabe que, la conducción es la

transferencia de energía que se origina

debido al movimiento molecular dentro

de un material, sin que este se mueva.

Se demuestra que la corriente de calor

H depende del área A por la que fluye

el calor, la longitud L del trayecto de

flujo del calor, la diferencia de

temperatura y la conductividad térmica

k que depende del material.

El estudio experimental de las diversas

formas de transmisión del calor dio

como origen ecuaciones con las que se

puede representar cada tipo de

transmisión en específico, por medio de

un análisis profundo de los cuerpos,

calor y el medio que lo propaga.

CONCLUSIONES



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[1] Wikipedia: la enciclopedia libre.

Temperatura.

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatur

a

[2] Frank Kreith, Raj M. Manglik y Mars

S.Bohn . (2012). [Online}. Principios de

transferencias de calor.

https://books.google.com.pe/books?id=

xr4uAzjOquoC&pg=PA497&lpg=PA49

7&dq=Frank+Kreith,+Raj+M.+Manglik+

y+Mars+S.Bohn+%E2%80%93+Princi

pios+de+transferencias+de+calor&sou

rce=bl&ots=Jwa0BkyGyL&sig=ObPjK8

hqwWl0msXHi0XF_SdtOB0&hl=es&sa

=X&ei=M0qXVZuZC5L7gwTJmrPAAg

&redir_esc=y#v=onepage&q=Frank%2

0Kreith%2C%20Raj%20M.%20Manglik

%20y%20Mars%20S.Bohn%20%E2%

80%93%20Principios%20de%20transf

erencias%20de%20calor&f=false

[3] Young, Freedmam, Sears,

Zemansky. (2009). Fisica Universitaria

(decimosegunda ed.) [Online]. (1)

http://fisica1.fisica.edu.uy/Ebooks/Fisic

a%20Universitaria%2012E%20-

%20vol1.pdf

BIBLIOGRAFIA

mecanismos de transferencia de calor

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