practica 5- conductividad termica

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  • 8/10/2019 Practica 5- Conductividad Termica

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    INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD MADERO

    DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y BIOQUIMICA

    LABORATORIO INTEGRAL I

    PRACTICA No. 5:

    CONDUCTIVIDAD TERMICA

    EQUIPO No. 4

    NOMBRE DE LOS ALUMNOS NO. CONTROL

    ALANS GMEZ RICARDO PASCUAL 11071340 ALDAPE HERNNDEZ DAVID ADRIEL 11071339

    CORTEZ GREER MIGUEL NGEL 11070530

    GARCA CRDOBA AIDA GUADALUPE 11070892

    GONZLEZ LVAREZ FLIX DE JESS 11070938

    MARTNEZ ROMERO JOS GIOVANNY

    ORTIZ VARGAS JESUS EMMANUEL

    11070480

    11070057

    REALIZADA: 25/09/2014

    REPORTADA: 02/10/2014

    CD. MADERO. TAMPS.

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    INDICE

    Objetivo .................................................................................Error! Bookmark not defined.

    Teoria y desarrollo matematico .............................................................................................. 3

    Material y Equipo empleado .................................................................................................. 5

    Procedimiento empleado ........................................................................................................ 6

    Datos experimentales ............................................................................................................. 7

    Resultados .............................................................................................................................. 8

    Discusion de resultados .......................................................................................................... 9

    Cuestionario ........................................................................................................................... 9

    Comentarios ......................................................................................................................... 10

    Bibliografia ........................................................................................................................... 11

    Apndice: ............................................................................................................................. 11

    Descripcin del trabajo de cada integrante del equipo ......................................................... 15

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    OBJETIVO

    Determinar la conductividad trmica de la fibra de vidrio como aislante a partir de datos

    experimentales: aumento en la temperatura medida en intervalos de tiempo provocado por laaplicacin de una corriente elctrica en un medio rodeado del material.

    TEORIA Y DESARROLLO MATEMATICO

    La conductividad de trmica es una es una propiedad fsica de los materiales que mide la

    capacidad de conduccin de calor. En otras palabras la conductividad trmica es la capacidad de

    una sustancia de transferir el movimiento cintico de sus molculas a sus propias molculas

    adyacentes o a otras sustancias con las que est en contacto.

    La inversa de la conductividad trmica es la resistividad trmica que es la capacidad de los

    materiales a oponerse al paso del calor.

    Cuando se calienta la materia, la energa cintica por medio de sus molculas aumenta,

    incrementando se su movimiento. La conduccin de calor que a nivel macroscpico puede

    modelizarse mediante la ley de Fourier, establece que la tasa de transferencia de transferencia de

    calor por conduccin en una direccin dada, es proporcional al rea normal a la direccin del

    flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa direccin, a nivel molecular se debe a la

    interaccin de las molculas que intercambian energa cintica sin producir movimientos globales

    de materia. Por tanto la conduccin trmica difiere de la conveccin trmica en el hecho de que

    en la primera no existen movimientos macroscpicos de materia, que si ocurren en el segundo

    mecanismo. Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor

    mediante conduccin trmica, mientras que la conveccin trmica en general solo resulta posibleen lquidos y gases. De hecho los slidos transfieren calor bsicamente por conduccin trmica,

    mientras que para gradientes de temperatura importantes los lquidos y los gases transfieren la

    mayor parte del calor por conveccin.

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    La conductividad trmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de conducir

    el calor a travs de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en

    los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a travs de electrones libres) y

    en materiales inicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la

    fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes trmicos.

    El coeficiente de conductividad trmica() caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para

    que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogneo obtenga una diferencia

    de 1 C de temperatura entre las dos caras. Es una propiedad intrnseca de cada material que vara

    en funcin de la temperatura a la que se efecta la medida, por lo que suelen hacerse las

    mediciones a 300 K para poder comparar unos elementos con otros.

    La conductividad trmica de la materia depende de su estructura microscpica: en un fluido sedebe principalmente a colisiones aleatorias de las molculas; en un slido depende del

    intercambio de electrones libres (principalmente en metales) o de los modos de vibracin de sus

    partculas microscpicas (dominante en los materiales no metlicos). Para el caso simplificado de

    flujo de calor estacionario en una sola direccin, el calor transmitido es proporcional al rea

    perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y

    es inversamente proporcional al espesor.

    Dnde:

    Es el calor transmitido por unidad de tiempo.

    Es la conductividad trmica.

    Es el rea de la superficie de contacto.

    Es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el fro.

    Es el espesor del material.

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    MATERIAL Y EQUIPO

    Tubo de vidrio

    Lana de fibra de vidrio

    Lamina de aluminio

    Cables con extremos caimn-caimn

    Cable de cobre

    4 Termmetros

    Voltmetro

    Ampermetro

    Vernier

    Cronmetro

    Fig.1- Ampermetro y Voltmetro.

    Fig.2- Resistencia de cobre colocada enel tubo de vidrio aislado por fibra devidrio.

    Fig.3- Termmetros.

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    PROCEDIMIENTO EMPLEADO

    Se monta un sistema como se muestra en las figuras, conectado a un multmetro y a un

    voltmetro.

    1.- Medicin del radio 1 (situado y el exterior del tubo de vidrio) y 2 (entre la lana de fibra de

    vidrio y la lmina de metal).

    2.- Se colocan dos termmetros en cada extremo del sistema de manera que se pueda medir la

    temperatura del radio nmero 1 y la temperatura del radio nmero 2. Los cuales deben ser

    colocados de forma paralela, a una misma distancia de profundidad dentro de la fibra de vidrio

    3.- Se conecta el aparato la fuente de corriente elctrica y se enciende

    4.- Se toman lectura de las temperaturas de cada termmetro, anotndolas como temperatura de

    inicio la cual debe ser la misma en cada termmetro.

    5. Se ajusta el voltmetro a 5 volts, se debe mantener el voltaje en 5, ya que tiende a variar

    despus de un tiempo as como tambin anotando el amperaje que resulta.

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    6.- Se pone en marcha el cronometro, tomando lectura de las temperaturas cada 5 minutos y

    anotando hasta que sean 40 min en todo el lapso.

    7.- Se realiza una tabla comparativa con todos los datos experimentales obtenidos en los

    diferentes radios

    DATOS EXPERIMENTALES

    Tabla No.1.- Variaciones de la temperatura en intervalos de 5 minutos.

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    RESULTADOS

    En esta prctica se calcul la k o coeficiente de transferencia de calor mediante las ecuaciones

    mostradas en el apndice de la misma. Este dato se encuentra en funcin al tiempo registrado ylas caractersticas de la fibra de vidrio.

    TEMPERATURA

    To1 = 102C =375.15 k R1= 2.4 cm = 0.024 m

    To 2= 37C =310.15 k R2= 5.9 cm = 0.059 m

    To 3= 98C =371.15 k R3= 2.4 cm = 0.024 m

    To 4= 40C =313.15 k R4= 5.9 cm = 0.059 m

    Q= (voltaje) (intensidad)

    Q= (10 V) (1A)

    Q= XY w Q= 10 W

    L= 33 cm = 0.33 m

    RESULTADOS

    K1=0.0667 w/m k

    K2=0.0711 w/m k

    K3=0.0747 w/m k

    K4=0.0699w/m k

    Kprom=0.0706 w/m k

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    DISCUSION DE RESULTADOS

    Al tener el valor de la conductividad trmica en base a nuestros datos experimentales y haciendo

    una comparacin contra los datos bibliogrficos sobre la conductividad trmica de la fibra devidrio, podemos apreciar que hay una considerable diferencia entre ambas.

    CUESTIONARIO

    1.- calcular la conductividad trmica del aislante a la temperatura de la superficie del tubo.

    K1 = [10W / 2**0.33m*(375.15 K310.15 K)] x [ln (0.059m / 0.024m)]

    K1 = 0.0667 w/m k

    2.- calcular la potencia suministrada a partir de las lecturas de amperaje y voltaje.

    P=VxI

    P=20Vx1.65A

    P=33

    3.- determinar el coeficiente de transferencia de calor

    H= 332(.0595m)(.4m)(453.5299.5) = 1.4329W/m^2

    4.- determinar la eficiencia del aislante

    Eficiencia=100-3316.4833=99.49%

    El clculo puede ser apreciado en el apndice.

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    5.- investigar bibliogrficamente la conductividad trmica del aislante y comparara con laobtenida experimentalmente, calcule el % de error y mencione el porqu de las diferenciassi es que las tuviera.

    Del libro de Holman el valor de K para la fibra de vidrio es:

    K= 0.038(watts/mC)= 0.00907 cal/mseg C

    Por lo que se tiene que el porcentaje de error es

    %error=0.0380.08610.038x100 =17.34

    Los clculos se pueden apreciar en el apndice

    6.- elaborar dos preguntas elaboradas con la prctica y contestarlas. a) de qu depende la conductividad trmica y en cual se conduce mejor?

    Depende de los materiales a utilizar, siendo los metales los mejores conductores de calor.

    b) en dnde tienen aplicacin los materiales con alta conductividad trmica? Los materiales con alta conductividad trmicase usan mucho en aplicaciones de

    disipacin trmica y los materiales con baja conductividad trmica se usan como aislantetrmico.

    COMENTARIOS

    En esta prctica apreciamos de cierta forma y ayudndonos de los termmetros como es que elcalor es transferido y como este llega hasta un extremo perdiendo temperatura conforme avanza atravs de la fibra de vidrio.

    De igual forma se not a cantidad de tiempo que lleva el tener unas temperaturas constantes conel amperaje y voltaje mencionado a lo largo del reporte.

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    BIBLIOGRAFA

    Gmez, F. V. (2010). Determinacin del Modelo Matemtico para el Tiempo de

    Descarga o vaciadode un tanque. Recuperado el 28 de Septiembre de 2014, dehttp://www.ingenieriaquimica.org/system/files/modelo-descarga-tanque.pdf

    Izaguirre, M. I. (2009). Laboratorio de Hidrulica .Recuperado el 28 de Septiembre de

    2014, de Hidrulica Basica: http://www.ingenieria.unam.mx/hidrounam/HB3Orificios.pdf

    Mc Cabe, C. Smith, Harriott. (1993). Unit Operations in Chemical. En C. S. Mc Cabe,

    Unit Operations in Chemical(pgs. 130 -150). Mc Graw Hill.

    Universidad Iberoamericana. (14 de Marzo de 2008). Descarga de tanques.Recuperado

    el 28 de Septiembre de 2014, de

    http://fjartnmusic.com/Personal/6o_Semestre_files/DT.pdf

    APNDICE

    K1= [10W / 2**0.33m*(375.15 K310.15 K)] x [ln (0.059m / 0.024m)]

    K1= 0.0667 w/m k

    K2= [10W / / 2**0.33m*(310.15 K371.15 K)] x [ln (0.024m / 0.059m)]

    K2 = 0.0711 w/m k

    K3= [10W / / 2**0.33m*(371.15 K313.15 K)] x [ln (0.059m / 0.024m)]

    K3= 0.0747 w/m k

    )1/2ln()21(2

    rrTTl

    QK

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    K4= [10W / / 2**0.33m*(313.15 K375.15 K)] x [ln (0.024m / 0.059m)]

    K4= 0.0699w/m k

    Kprom = (0.0667 W/m K + 0.0711 W/m K + 0.0747 W/m K + 0.0699) / 4

    Kprom= 0.0706 w/m k

    Calcular % de error

    Del libro de Transferencia De Calor, Segunda Edicin [Manrique] se obtuvo la conductividad de

    la lana de vidrio 0.0360 W/mC

    Figura 1.- Conductividad terica de la lana de vidrio.

    De la conductividad 1:

    De la conductividad 2:

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    De la conductividad 3:

    De la conductividad 4:

    De la conductividad promedio:

    Calculo de la potencia

    P=VxI

    P=20Vx1.65A

    P=33

    Del libro de Holman el valor de K para la fibra de vidrio es:

    K= 0.038(watts/mC)= 0.00907 cal/mseg C

    Para el coeficiente de transferencia de calor

    Donde

    T0= T fibra de vidrio

    )10(2 TbTl

    Qh

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    H=

    ()()()= 1.4329W/m^2

    Con la ecuacin 4 es posible obtener el dato de la eficiencia del aislante

    Eficiencia= 100- Qs/a-Qc/a Qs/a X 100ecuacin 4

    Entonces el flujo de calor con aislante es:

    Qc/a=hA(Tfibra-Tambiente)

    A=nrL= (3.1416)(.0595m)(.4m)= .0747 m2

    Qc/a=1.4329

    X .0747m2(453.5-299.5k)=16.48

    El flujo de calor con aislante es:

    Qs/a=20 v* 1.65 A= 33W

    Por lo tanto la eficiencia del aislante es;

    Eficiencia=100-

    =99.49%

    Para obtener el porcentaje de error se utiliza la siguiente ecuacin

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    Por lo que se tiene que el porcentaje de error es

    %error=

    x100 =17.34

    DESCRIPCIN DEL TRABAJO DE CADA PARTICIPANTE EN

    EL REPORTE Y FIRMA

    Alans Gmez Ricardo pascual 11071340

    Realizo la investigacin del fundamento terico, adems de la descripcin de materiales y

    equipos utilizados

    Aldape Hernndez David Adriel 11071339

    Realizo la explicacin del procedimiento empleado

    Cortez Greer Miguel ngel 11070530

    Realizo la portada de la prctica, recopilo la informacin y ayudo con el marco terico.

    Firma

    Firma

    Firma

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    Garca Crdoba Aida Guadalupe 11070892

    Ayudo con la resolucin del cuestionario y las tabulaciones presentadas.

    .

    Gonzlez lvarez Flix de Jess 11070938

    Apoyo con la realizacin de los clculos empleados

    Martnez Romero Jos Giovanny 11070480

    Efectu los comentarios finales, as como la discusin de resultados.

    Ortiz Vargas Jess Emmanuel 11070057

    Apoyo con los clculos y la traficacin.

    .

    Firma

    Firma

    Firma

    Firma