Practica 6 Conductividad Termica

Manual de Prácticas

Laboratorio de Bioingeniería

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Página

Práctica 6

Determinación de Coeficientes de Conductividad Térmica, de

Conducción Natural y Forzada. Por:

Rosa Hernández Soto Ana Laura Rodríguez Sotelo Juan Carlos Rodríguez Sierra

INTRODUCCIÓN. El calor es la forma de energía que puede ser transferida de un sistema a otro debido a una

diferencia de temperatura. La transferencia de energía siempre ocurre de un medio de alta

temperatura a una medio de temperatura menor, y esta transferencia termina cuando ambos medios

o sistemas alcanzan la misma temperatura.

El calor puede ser transferido en tres maneras distintas: conducción, convección y radiación. La

conducción se realiza mediante la transferencia de energía entre moléculas adyacentes, y tiene lugar

siempre que exista un gradiente de temperatura. La transferencia de calor por convección implica el

transporte de calor a través de una fase y el mezclado de porciones calientes y frías de un gas o

líquido. Si el movimiento del fluido se debe exclusivamente a una diferencia de densidades

originada por calentamiento se habla de convección natural; si en ese movimiento influye la

agitación externa o provocada, se habla de convección forzada. En fluidos, el transporte de calor por

conducción es despreciable frente a la convección. Por su parte la radiación, se lleva a cabo por

medio de la emisión de ondas electromagnéticas o fotones, como resultado de los cambios de

configuración electrónica de los átomos o moléculas.

La capacidad de una sustancia para conducir calor a mayor o menor velocidad es determinada por

su conductividad térmica (κ), lo cual se refleja en la ecuación de Fourier.

La conductividad térmica de un material se define como la tasa de transferencia de calor a través de

un espesor unitario por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura de un material.

Cuando ésta es muy grande, se dice que el material es un buen conductor de calor, si esta es baja, el

material se considera un aislante térmico.

x

TQ




OBJETIVO. Determinación experimental de los coeficientes de transferencia de calor en estado estacionario de acuerdo al mecanismo predominante, identificando las variables involucradas permitiéndose la discusión en conjunto.

OBJETIVOS PARTICULARES Estimar el tiempo de transición para el proceso de transferencia de calor por conducción a

través de un grafico de temperatura vs tiempo.

Desarrolla el modelo matemático en función de las variables medibles en la

experimentación, para determinar la conductividad térmica.

Determinar los coeficientes de transferencia de calor por convección natural y forzada.

MATERIALES Y EQUIPO Barras circulares de metales: Cobre, latón, bronce.

Tela de asbesto u otro aislante.

Resistencia de calentamiento (Parrilla de calentamiento como opción).

Adquisitor de datos con 2 termopares (Termómetros con escala a 400°C).

Foco de 100 W.

Socket, cable duplex (2 mts.), enchufe.

Multímetro.

Potenciómetro.

Ventilador

Vernier

Flexómetro

Balanza electrónica

Anemómetro

Soportes Universal

Pinzas de tres dedos

Cuestionario Pre-laboratorio

1.- ¿Qué es flujo de calor?

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2.- ¿Cómo se relaciona con la velocidad de transferencia de calor?

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3.- ¿Cómo se distinguen entre si los mecanismos de transferencia de calor?

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4.- ¿Cuál es el mecanismo físico de conducción de calor en un sólido, un líquido y un gas?

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5.- ¿En que difiere la conducción de calor de la convección?

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6.- ¿Cuáles son las diferencias entre convección forzada y natura?

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7.- Defina emisividad y absortividad

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8.- ¿Cuál es la ley de Kirchhoff de la radiación

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9.- ¿Qué es un cuerpo negro?

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10.- ¿En que difieren los cuerpos reales de los negros?

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10.- ¿Cómo varía la conductividad térmica de los gases, sólidos y líquidos con la temperatura?

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DESARROLLO EXPERIMENTAL.

A. Determinación experimental de la conductividad térmica.

1.- Armar el dispositivo de acuerdo a las instrucciones del profesor.

Descripción del sistema

Esquema

2.- Configurar el dispositivo de adquisición con una frecuencia de muestreo de 1dato por

cada 10s, con un tiempo de muestreo de 180 min., para cada canal.

3.- Conectar la resistencia de calentamiento al potenciómetro y al amperímetro para medir la

corriente consumida.

4.- Accionar simultáneamente el adquisitor de datos y la resistencia de calentamiento.

5.- Estimar de dos maneras distintas el calor proporcionado por la resistencia de

calentamiento.




Tabla 1. Datos para el cálculo de conductividad térmica.

Material

Metal Tiempo de

equilibrio(s)

T(°C) x (cm)

Cobre

Latón

Bronce

B. Determinación experimental del coeficiente de calor por convección.

1.- Armar el dispositivo de acuerdo a las instrucciones del profesor.

Descripción del sistema

Esquema

2.- Configurar el dispositivo de adquisición con una frecuencia de muestreo de 1dato por

cada 10s, con un tiempo de muestreo de 60 min, para cada canal.

3.- Separar los termopares, uno en contacto con la superficie del foco y el segundo alejado a

un metro del foco.

4.- Accionar simultáneamente el adquisitor de datos y la resistencia de calentamiento.




Tabla 2. Datos para el cálculo de convección.

Convección

Tipo Tiempo de

equilibrio(s)

Natural --------

Forzada

Cuestionario Post-laboratorio

1. ¿Cómo influye la forma geométrica en los valores de las propiedades térmicas estudiadas

en la presente práctica?

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2. ¿Cómo se comporta el coeficiente de transferencia de calor en función de la geometría y la

velocidad del fluido circundante?

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3. ¿Cuándo se mejora la capacidad de conducción en los materiales eléctricos y qué beneficios

tiene el sistema en la industria biotecnológica?

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Conductividad térmica

Grafica tus resultados ( , Vs. t) e identifica el estado estacionario.

Calcular la conductividad térmica experimental por medio de la ecuación:

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Convección Natural y Forzada

Grafica tus resultados ( , Vs. t).

Estimar el calor proporcionado por el foco y realizar el cálculo del coeficiente de convección

mediante la ecuación:

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CONCLUSIONES ________________________________________________________________________________

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BIBLIOGRAFÍA Cengel, Y.(2007), Transferencia de calor, tercera edición, México:McGraw Hill.

Holman, J. P. (1991). Transferencia de calor, octava edición, España: McGraw Hill.

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