separata nº15 - fisica -transferencia de calor

7/25/2019 Separata N15 - Fisica -Transferencia de Calor

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RANSFERENCIA DE CALOR

Esta imagen de colores falsos muestra el calor que se escapa de unavivienda en forma de rayos infrarrojos. Las zonas negras son las que

menos calor irradian, mientras que las blancas (que coinciden con lasventanas) son las que ms calor pierden.

El calor puede transferirse de tres formas: por conduccin, porconveccin y por radiacin. La conduccin es la transferencia de calora trav!s de un objeto slido: es lo que "ace que el asa de un atizadorse caliente aunque slo la punta est! en el fuego. La conveccintrans#ere calor por el intercambio de mol!culas fr$as y calientes: es lacausa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunqueslo su parte inferior est! en contacto con la llama. La radiacin es latransferencia de calor por radiacin electromagn!tica (generalmente

infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la"abitacin.

6.1. INTRODUCCION

5.1. Los procesos fsicos por los que se producela transferencia de calor son la conduccin y la radiacin.Un tercer proceso, que tambin implica el movimiento demateria, se denomina conveccin. La conduccin requierecontacto fsico entre los cuerpos (o las partes de uncuerpo) que intercambian calor, pero en la radiacin no

ace falta que los cuerpos estn en contacto ni que ayamateria entre ellos. La conveccin se produce a travs delmovimiento de un lquido o un !as en contacto con uncuerpo de temperatura diferente.

6.2. TRANSFERENCIA DE CALORPOR CONDUCCIN

6.2.1. MECANISMO5.2. La transmisin de calor por conduccinpuede realizarse en cualquiera de los tres estadosde la materia: slido lquido y gaseoso.5.3. Para explicar el mecanismo f sico de la

conduccin, pensemos en un gas en el que existeun gradiente de temperaturas y no ay mo!imientoglo"al. #l gas ocupa todo el espacio entre las dossuperficies como se muestra en la figura $.%sociamos la temperatura del gas en cualquier

Captulo

6


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punto con la energa que poseen susmol&culas en las proximidades de dico punto.'uando las mol&culas !ecinas cocan ocurreuna transferencia de energa desde lasmol&culas m(s energ&ticas a las menosenerg&ticas. #n presencia de un gradiente de

temperaturas la transferencia de calor porconduccin de"e ocurrir en el sentido de latemperatura decreciente, esto es en ladireccin positi!a del e)e de las x .5.*. #n los lquidos la situacin es muysimilar que en los gases, aunque las mol&culasest(n menos espaciadas y las interaccionesson m(s fuertes y frecuentes.5.5. #n los slidos la conduccin seproduce por cesin de energa entre partculascontiguas +!i"raciones reticulares. #n unslido no conductor la transferencia de energaocurre solamente por estas !i"raciones

reticulares, en cam"io en los slidosconductores se de"e tam"i&n al mo!imiento detraslacin de los electrones li"res.5.6. La conduccin en un mediomaterial, goza pues de un soporte, que son suspropias mol&culas y se puede decir quemacroscpicamente no in!olucra transporte demateria.

5.7.

5.8.

5.9.

5.10.

5.11. qq

5.12.5.13.5.14.5.15.5.16.5.17.5.18.

5.19. Figura 1 Asociacin de latransferencia de calor porconduccin con la difusin deenerga debida a la actividadmolecular

5."#.

5.21. La conduccin de calor es un

mecanismo detransferencia de energa trmica

entre dos sistemas basado en el contacto

directo de sus partculas sin flujo neto de

materia y que tiende a igualar la temperatura

dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos

en contacto por medio de ondas.

5.22. La conduccin del calor es muy

reducida en el espacio acoy es nula en el

espacio aco ideal! espacio sin energa1.

1 http://es.wikipedia.org/wiki/Conducci

%C3%B3ndeca!or

5."$. %l proceso de transferencia de ener!atrmica m&s sencillo de describir de maneracuantitativa recibe el nombre de conduccin. %n esteproceso, la transferencia de ener!a trmica se puedever a una escala atmica como un intercambio deener!a cintica entre molculas, donde las partculas

menos ener!ticas !anan ener!a al cocar con laspartculas m&s ener!ticas. ' pesar de que latransferencia de ener!a trmica a travs de un metalpuede eplicarse de modo parcial por las vibracionesatmicas y el movimiento de electrones, la tasa deconduccin depende tambin de las propiedades dela sustancia que es calentada.

5.". La transferencia de calor por conduccin eseplicada satisfactoriamente por la Ley de *ourier+

5.25.

=

d"

d#$%q ..

+$

5.2-. onde:5.2/. q: !elocidad de transferencia de calor por

conduccin, 'al0s1 401 .

5.26. %: (rea trans!ersal a la direccin de flu)o de

calor, m2

5.27. d"

d#

: gradiente de temperatura en la seccin de

flu)o de calor, 8 '0m

5.39. : conducti!idad t&rmica del material a tra!&s del

medio por donde se transfiere el calor, +'al0s.m.8

'1 40s.pie.8;10m.


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U N I V E R S I D A D J O S E C A R L O SM A R I A T E G U I

E s c u e l a d e I n g e n i e r a M e c . E l e c ! .

puesto resultar( de mayor practicidad

especialmente en los caso de muros en paralelo.

%s, llamaremos a L0 como la resisti!idad

t&rmica del material +m

2

.i las resistencias t&rmicas se

encuentran en serie:

5.5$.

=

=n

i

i&

1

"e

+*6.3.2. Paredes #o$%&estas#one#tadas en %ara(e(o

5.52. % continuacin se

ilustra la situacin de

una pared compuesta

formada por dos

materiales, a, " que

est(n conectadas en

paralelo.

!.!3. Pared #o$%&esta#one#tada en

%ara(e(o !.!".

5.55.

5.5-. Cr#&to e()#tr#o an*(o+o5.5/. >i las resistencias est(n dispuestas en

paralelo:

5.56.

=

=n

i i&

1

1

1"e

+55.57. La a"la * resumen las conducti!idades t&rmicas

de algunas sustancias.

5.-9. Ta,(a ". 'onducti!idades t&rmicas dealgunas sustancias.

!.61. S&stan#a

!.62. Condt-dad t)r$#a /0$C

5.-3. Betales +a 25 8'

5.-*. %

luminio

5.-5. 2

36

5.--. Co metales +!alores

aproximados

5.-/. '

o"re

5.-6. 3

7/

5.-7. %s"es

tos5./9. 9,96

5./$. D

ro

5./2. 3

$*

5./3. 'oncr

eto5./*. 9,6

5./5. A

ierro

5./-. /

7,5

5.//. iama

nte

5./6. 2.399

5./7. P

lomo

5.69. 3

*,/5.6$. Eidrio

5.62. 9,6 @

9,6*

5.63. P

lata

5.6*. *

2/5.65. Aielo 5.6-. 2

5.6/. 5.66. 5.67. 5.79.

5.7$. Fases +a 29 G

25 8'5.72. Aule 5.73. 9,2

5.7*. %

ire

5.75. 9,

923*5.7-. %gua

5.7/. 9,5- a

9,-

5.76. A

elio

5.77. 9,

$36

5.$99. Bader

a

5.$9$. 9,96 a

9.$-

5.$92. Aidrgeno

5.$93. 9,$/2

5.$9*. 'orco,

5.$95. 9.*2

5.$9-. C

itrgeno5.$9/. 9,

923*

5.$96. e)idoumano

5.$97. 9.2

5.$$9. D

xgeno

5.$$$. 9,

92365.$$2. %gua 5.$$3. 9.5-


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!.11".

!.11!. Resn#45a((da

!.116.

5.$$/. P. ippler5.$$6.

!.117.

5.$29. O8o: la conducti!idad del plomo es 35,35.$2$.

6.#. CONDUCCION RADIAL ATRA$ES DE TU%ERIAS

5.$22. #n el caso de transferencia de calor por

conduccin en tu"eras se usa la siguiente

expresin:

5.$23. L%

rr'n

#o#fq

io...2

#/$

#$

=

+3

5.$2*. onde:

5.$25. q: !elocidad de transferencia de calor por

conduccin radial, 'al0s

5.$2-. r o: radio externo de la tu"era, m

5.$2/. r i: radio interno de la tu"era, m

5.$26. L: largo del tu"o, m

5.$27. : conducti!idad t&rmica del material a tra!&s del

medio por donde se transfiere el calor, 'al0s.m.8

'

5.$39. f: temperatura de la superficie caliente, 8 '

5.$3$. o: temperatura de la superficie fra, 8 '5.$32. #l t&rmino Hn+ro0ri0+2...L es conocido

como resistencia t&rmica del material constituti!o

del tu"o.

!.133.

!.13". Cr#&to e()#tr#o an*(o+o.

!.13!.

5.$3-. Cr#&to e()#tr#o an*(o+o %ara #(ndro

L i c . a r l o s % . - o o a r c a


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U N I V E R S I D A D J O S E C A R L O SM A R I A T E G U I

E s c u e l a d e I n g e n i e r a M e c . E l e c ! .

6.&. 'e!a()"o detra(*ere(!)a de !alor por

!o(+e!!),(5.$3/. #s pro"a"le que usted alguna !ez aya

calentado sus manos someti&ndolas so"re una

flama descu"ierta. #n esta situacin, el aire

directamente encima de la flama se caliente y

expande. 'omo resultado, la densidad del aire

disminuye y &ste asciende. #sta masa de aire

caliente le da calor a sus manos cuando fluye

por ellas.

5.$36. >e afirma que la energa t&rmica

transferida por el mo!imiento de la sustancia

calentada se a transferido por con!eccin.

'uando el mo!imiento se produce por diferencia

en la densidad, como en el e)emplo del aire

alrededor del fuego, esta se conoce como

con!eccin natural. 'uando la sustancia

calentada es o"ligada a mo!erse mediante un

!entilador o "om"a, como en algunos sistemas

de calefaccin de aire caliente y agua caliente, el

proceso se denomina con!eccin forzada.

5.$37. La !elocidad de transferencia de calor

por con!eccin se calcula a tra!&s de la

siguiente expresin:

5.$*9. $(

##

q

c

of

.

1

#$

=

+2$

5.$*$. onde:

5.$*2. q: !elocidad de transferencia de calor por

con!eccin, 'al0s

5.$*3. %: (rea trans!ersal a la direccin de flu)o de

calor, m2

5.$**. c: coeficiente con!ecti!o de transferencia de

calor del medio, 'al0s.m2.8 '

5.$*5. f: temperatura de la zona caliente, 8 '

5.$*-. o: temperatura de la zona fra, 8 '

5.$*/.5.$*6.

5.$*7.

5.$59.

5.$5$.

5.$52.

6.6. 'e!a()"o detra(*ere(!)a de !alor porrad)a!),(

5.$53. La tercera forma de transferencia de

energa t&rmica es denominada radiacin. odoslos o")etos radian energa continuamente en

forma de ondas electromagn&ticas. #l tipo de

radiacin asociado a la transferencia de energa

t&rmica de un lugar a otro se conoce como

radiacin infrarro)a.

5.$5*. La tasa a la cual un o")eto emite

energa radiante es proporcional a la cuarta

potencia de su temperatura a"soluta. #sto se

conoce como la Ley de >tefan y se expresa en

forma de ecuacin como:

5.$55.4... #e$) =

+22

5.$5-. onde:

5.$5/. P: potencia radiada por el cuerpo, ?att

5.$56. : constante igual a 5.--7- x $9G60m2.i se desea cuantificar la !elocidad de

transferencia de calor por radiacin entre dos

o")etos, se usar(:

5.$-3. ec( *##$q #..$..

4421 = +23

5.$-*. onde:

5.$-5. q: !elocidad de transferencia de calor por

radiacin, tu0

5.$--. : constante de >tefan @ oltzman igual a 9,$/$*

x $9G6 tu0Ar.;t2

.=*

5.$-/. ;e: factor de emisi!idad, adimensional

5.$-6. : factor de forma

5.$-7. : temperatura de la zona caliente, =

5.$/9. c: temperatura de la zona fra, =

5.$/$. %: (rea a tra!&s de la cual se da la transferencia

de calor, ;t2

5.$/2.

5.$/3.

!.1'".5.1+5. 9+&ra 1. #l calor puede transferirse de tres formas: por

conduccin, por con!eccin y por radiacin. La conduccin es

la transferencia de calor a tra!&s de un o")eto slido: es lo que

ace que el asa de un atizador se caliente aunque slo la

punta est& en el fuego. La con!eccin transfiere calor por el

intercam"io de mol&culas fras y calientes: es la causa de que


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el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque slo

su parte inferior est& en contacto con la llama. La radiacin es

la transferencia de calor por radiacin electromagn&tica

+generalmente infrarro)a: es el principal mecanismo por el que

un fuego calienta la a"itacin.

5.1+,.

5.1++.

5.1+-.

5.1+9.

L i c . a r l o s % . - o o a r c a


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U N I V E R S I D A D J O S E C A R L O S M A R I A T E G U IE s c u e l a d e I n g e n i e r a M e c . E l e c ! .

!.1;.5.1-1.

5.182. PRACTICA N4: MECANISMS !E TRANS"ERENCIA !E CA#R

1. Una ventana de cristal trmico de / m"de &rea est& constituidocon dos o0as de vidrio, cada una de mm de espesorseparadas por un espacio de aire de 5 mm. i el interior est& a"# 2 y el eterior a 3$# 2, 4cu&l es la prdida de calor a travs

de la ventana.2. Sol. 1,34 Kw

3. alcule el valor r de a) una ventana eca con un solo cristal de167 pul!ada de espesor, y b) una ventana de cristal trmicoformada con dos cristales individuales, cada uno con 167 deespesor y separados por un espacio de aire de 8 pul!adas. c)4%n qu factor se reduce la prdida de calor si se utili9a laventana trmica en el lu!ar de la ventana de un solo cristal4. Sol. 0,89 pie2.F.h/BTU, 1,85 pie2.F.h/BTU, 2,08

5. 3,97X10-3 m2C / !279.31"10-3m2C /

#. Una placa de ierro de " cm de espesor tiene una seccin rectade 5.### cm". Una de las caras se alla a la temperatura de 15#

2 y la opuesta a 1# 2. alcular la cantidad de calor que setransmite por se!undo. La conductividad trmica del ierro vale#,115 cal6s.cm.27. Sol. 2 875 $%l/&

8. Una ca0a con un &rea de superficie total de 1,"# m"y una paredde cm de espesor est& eca con un material aislante. Uncalefactor elctrico de 1# : dentro de la ca0a mantiene latemperatura interior en 15 2 arriba de la temperatura eterior.%ncuentre la conductividad trmica del material aislante.9. Sol. 0,0222 /m.C

10. Una planca de nquel de #, cm de espesor tiene unadiferencia de temperatura de $" 2 entre sus caras opuestas. ;euna a otra se transmite "##


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23.

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