Docente Camilo Souto EscalonaDocente Cesar Chavarría Castro

Transferencia de Calor

lunes 17 de abril de 2023

Nociones de Termodinámica

Es característico que los organismos vivos y máquinas intercambien energía con su medio ambiente, en el proceso de convertir la energía interna en trabajo. Este proceso es detallado por los fundamentos de la termodinámica.

La Energía Interna es toda la energía de un sistema asociada a componentes microscópicas. Se define por algunas variables como el volumen, la temperatura y la presión.

Estructura

C3

C4 Uso del recurso

(Díaz et al 2006)

Cómo observar, analizar y comprender la biodiversidad?

FRIO CALIDO

Adaptación termodinámica

Ramirez, L., 2010

Patrones globales de la biodiversidad

Ramirez, L., 2010

Pinhero, S., 2010

SISTEMA Medio Ambiente

Sistema: Porción de la realidad aislada, con temperatura, presión y volumen definido.

Medio Ambiente: todo lo que rodea el sistema.

La termodinámica considera la relación entre un sistema, y el medio ambiente que lo rodea. El medio ambiente es todo lo exterior al sistema que puede afectar a éste.

Escalas termométricas• La temperatura es una medida del calor o energía térmica

de las partículas de una sustancia.

• Los cambios de temperatura se miden a partir de otros cambios en las propiedades de una sustancia.

• Por ejemplo, el termómetro de mercurio convencional, mide la dilatación de una columna de mercurio en un capilar de vidrio, ya que el cambio de longitud de la columna se está relacionado con el cambio de temperatura.

Esta escala esta basada en el cero absoluto y en el punto triple del agua.

• La temperatura en el punto triple del agua es 273,15 K

• Esta escala es utilizada por el Sistema Internacional de unidades y su unidad es el Kelvin [K]

Punto triple del agua: Punto en donde coexisten en equilibrio hielo, agua líquida y vapor de agua, T=0,01 °C (4.58mm Hg)

Escala Absoluta o Kelvin.

Celsius, Fahrenheit y Kelvin

• La temperatura en grados Celsius es fijada por medio del cero absoluto Kelvin

• Otra escala comúnmente utilizada es la Fahrenheit. Que fija el punto de hielo a 32°F y el de vapor a 212°F. La relación entre Fahrenheit y Celsius es:

CF T59

F32ºT

][º273T Cº CTK

Ley Cero Termodinámica

• Conocido como “Equilibrio Térmico”

Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan.

Primera Ley de la Termodinámica

• La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro.

• Conocida como “Principio conservación de la energía”

La ecuación para determinar el calor transferido por un cuerpo se expresa en términos de la masa m, del calor específico Cp y de su cambio de temperatura:

Transferencia de calor

)(CmQ P if TT

• ΔQ en J

• m en kg

• Cp en J kg-1 ºC-1

• T en ºC

MaterialCalor específico

kcal/kg ºCAgua 1.00Acero 0.12Tierra seca 0.44granito 0.20

Madera de roble 0.57

Ladrillo 0.20

Madera de pino 0.60

Piedra arenisca 0.17

Hormigón 0.16

Mortero de yeso 0.20

Tejido de lana 0.32

Poliestireno expandido

0.40

Poliuretano expandido

0.38

Fibra de vidrio 0.19

Aire 0.24

Encarta 2007

Existen tres tipos de transferencia de calor

Radiación

Convección

Conducción

Transferencia de calor

Transferencia de calor

El equivalente mecánico del calor

4,185 J de energía mecánica elevaban la temperatura de 1 g de agua de 14,5ºC a 15,5ºC.Éste valor se conoce como el equivalente mecánico del calor (una caloría).

PRINCIPIOS TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir recibe el nombre de conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede ver en una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las partículas más energéticas.

Conductividad térmica de los materiales

• La conductividad térmica es una propiedad de los materiales de conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales.

• Es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres).

• Es muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos.

• Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal.

• Los tejidos del cuerpo son buenos aislantes, por lo que la temperatura del cuerpo es relativamente uniforme.

Conducción de Calor• La transmisión de energía proveniente

de la diferencia de temperatura entre partes adyacentes de un cuerpo.

• Mediremos la cantidad de calor que fluye perpendicularmente a las caras durante un periodo Dt

Flujo de CalorT2 T1

T2 >T1

LAislante Barra

conductora Aislada

Material K [W/(m K)]

Plata 420

Cobre 400

Aluminio 240

Acero 79

Hielo 1,7

Vidrio. Hormigón 0,8

Agua 0,59

Músculo animal. Grasa 0,2

Madera. Asbestos 0,08

Fieltro. Lana mineral 0,04

Aire 0,024

Pelo 0,019

Conducción de Calor• El flujo de calor depende del

material, de la diferencia de temperaturas entre los cuerpos en contacto, espesor del material y del área de conducción.

DT/Dx es el gradiente de temperatura.

DQ/Dt es la rapidez de transmisión de calor.

K constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica.

x

TA

t

Q

L

TTAk

t

Q 12

si k tiene un valor elevado definimos el material como conductor, y si k es bajo entonces el material es un aislante térmico

Conducción de calor

L

TTAk

t

Q 12

L: es la longitud de la barra, A: es el área de su sección transversal.K: es la conductividad térmicaT1: temperatura cuerpo 1T2: temperatura cuerpo 2

El área A, es el área transversal al flujo de calor. No siempre es una superficie "plana".

En el caso de los animales, A corresponde al área de la piel, puesto que a través de ella fluye el calor desde el cuerpo hacia afuera.

•¿Cuál es la velocidad del flujo de calor a través de un vidrio de ventana de 0,5 cm de espesor cuando la superficie exterior está a -5°C y la interior a 4°C? las dimensiones de la ventana son 0,7 por 41,5 m

Kvidrio=0,80 [W/m°C]

Convección

La transmisión de energía que fluye debido al movimiento de una sustancia de un lugar a otro se denomina convección. La convección puede ser natural o forzada.

Radiador

ConvecciónConvección natural: se produce por diferencia de densidades, cuyo origen es causado por diferencias de temperatura. Convección Forzada: producida por una fuerza externa (Ej. Un ventilador)

Circulación por convección

Energía Calórica

La transferencia de calor por convección se mide como la tasa de intercambio de calor en la interfaz entre un fluido y un sólido.

                                                                    

A = área de la interfaz de contacto entre el fluido y el sólidoh = coeficiente de transferencia de calor, W/m2 K Tm = temperatura media del fluido Ts = temperatura de la pared sólida

El coeficiente h no es constante, varía dependiendo de la forma del objeto, volumen, temperatura, etc.

Convección

TAhTTAht

Qsm

La radiación electromagnética (campo eléctrico y magnético) viaja a la velocidad de la luz, C=3x108 m·s-

1

n

CC o

Donde λ es la longitud de onda, ʋ la frecuencia de onda de la radiación y n el índice de refracción del medio.

Radiación

Es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, que se propaga a través del espacio, transportando energía. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal o el vacío.

Onda

Frecuencia: n = 1/T [Hz] [s-1]

T = periodo [s]

c

Modelo de Planck para la radiación electromagnética: Radiación compuesta por fotones sin masa y con energía

hE Dónde h = 6,62x10-34Js (Constante de Plank)

Cuerpo Negro: Es un objeto que absorbe toda la radiación incidente sobre él, independiente de la dirección o longitud de onda. Es un concepto ideal ya que toda sustancia refleja parte de la radiación. Sin embargo algunos materiales como una capa gruesa de carbón absorbe 99% de la radiación incidente. Un cuerpo negro es también un emisor perfecto de radiación térmica.

T

T T

hE

Espectros de radiación electromagnética

La ley de Stefan-Boltzmann establece la forma como un cuerpo radia (emite radiación). La tasa a la cual un objeto emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta(ºK):

4TA t

Q

428106732.5

Km

Wx

Ԑ= emisividad 0<e<1

Si un objeto está a una temperatura Tf y sus alrededores a una temperatura T0, entonces la energía que pierde por radiación por unidad de tiempo es:

40

4f TTA

t

Q

a = absortancia

t = transmitancia

r = reflectancia

Propiedades de los materiales o cuerpos, según como transmitan, reflejen o absorban radiación:

1 Parte de la radiación absorbida se emite

Cuerpo negro: es aquel que absorbe toda la radiación que llega a su superficie.

Cuerpo gris: es aquel que absorbe la radiación incidente en igual proporción para todas las longitudes de onda.

Transferencia de calor por Radiación

EL ELSPECTRO ELETROMAGNETICO SOLAR

La mayor parte de la energía se encuentra para 0,3<λ<2,5 µm

Emisividad (e): es una medida de la habilidad de una superficie para emitir radiación. El cuerpo negro tiene = 1.e El cuerpo gris tiene < 1.e

Ley de Stephan-Boltzman

Transferencia de calor por Radiación

negrocuerpoTA

q 4

griscuerpoTA

q 4

Ejercicio:

La temperatura interna de un animal es de 35 °C y la temperatura del ambiente es 20 °C ¿Cuál es la energía neta perdida por su cuerpo en 10 min por radiación? Asumir, factor de emisividad 0,9 y una superficie de 1,5 m2

 Es una imagen registrada en una placa o película fotográfica.

La imagen se obtiene al exponer al receptor de imagen radiográfica a una fuente de radiación de alta energía, comúnmente rayos X o radiación Gamma, procedente de isótopos radiactivos (Iridio 192, Cobalto 60, Cesio 137, etc.).

Al interponer un objeto entre la fuente de radiación y el receptor, las partes más densas aparecen con diferentes tonos dentro de una escala de grises, en función inversa a la densidad del objeto. Por ejemplo, si la radiación incide directamente sobre el receptor, se registra un tono negro.

Radiografía

lrayos X = 0.1 a 10 nm

nrayos X = 30·1015 a 3000·1015 Hz

Datos de rayos X

Por su atención, muchas gracias.

Cesar Chavarría Castro Camilo Souto EscalonaIngeniero Matemático Ingeniero Civil Agrícola

lunes 17 de abril de 2023