Transferencia de Calor 1
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FENOMENOS DE TRANSPORTE Dra. Ma. Maura Téllez Rosas 1
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principios de transferencia
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FENOMENOS DE
TRANSPORTE
Dra. Ma. Maura Téllez Rosas 1
TRANSFERENCIA
DE
CALOR
La transferencia de calor es la ciencia que trata
de predecir el intercambio de energía que puede
tener lugar entre cuerpos materiales, como
resultado de una diferencia de temperatura.
La ciencia de la transferencia de calor
pretende no sólo explicar cómo la energía
térmica puede ser transferida, sino también
predecir la rapidez con la que, bajo ciertas
condiciones específicas, tendrá lugar esa
transferencia.
La transferencia de energía en forma de calor
es muy común en muchos procesos químicos y
de otros tipos.
La transferencia de calor suele ir acompañada
de otras operaciones unitarias, tales como el
secado de maderas o alimentos, la destilación
de alcohol, la quema de combustible y la
evaporación.
La transferencia de calor se verifica debido a
la fuerza impulsora debido a una diferencia de
temperatura por la cual el calor fluye de la
región de alta temperatura a la de temperatura
más baja.
La ecuación para un balance de propiedades generales de; momento lineal, energía térmica o masa en estado no estacionario es: (Velocidad de entrada de la propiedad) + (velocidad de generación de la propiedad)
= (velocidad de salida de la propiedad) + (velocidad de acumulación de la propiedad)
Si se escribe una ecuación semejante pero específica para la transferencia de calor:
(Velocidad entrada de calor) + (velocidad de generación de calor)
= (velocidad de salida de calor) + (acumulación de calor)
La transferencia de calor puede verificarse por
medio de uno o más de los tres mecanismos de
transferencia:
Conducción
Convección
Radiación
Conducción. Por este mecanismo, el calor
puede ser conducido a través de sólidos,
líquidos y gases.
La conducción se verifica mediante la
transferencia de energía cinética entre
moléculas adyacentes.
La conducción es el único mecanismo de
transmisión del calor posible en los medios
sólidos opacos.
Cuando en tales medios existe un gradiente de
temperatura, el calor se transmite de la región
de mayor temperatura a la de menor
temperatura debido al contacto directo entre
moléculas.
Convección. La transferencia de calor por
convección implica el transporte de calor en un
volumen y la mezcla de elementos
macroscópicos de porciones calientes y frías de
un gas o un líquido.
Además, con frecuencia incluye también el
intercambio de energía entre una superficie
sólida y un fluido.
• La convección es un fenómeno de transporte
(materia y energía) que tiene su origen en
diferencias de densidad.
• Cuando un fluido se calienta, se expande; en
consecuencia su densidad disminuye.
• Si una capa de material más fría y más densa
se encuentra encima del material caliente,
entonces el material caliente asciende a
través del material frío hasta la superficie.
• El material ascendente disipará su energía en
el entorno, se enfriará y su densidad
aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando
el proceso.
Radiación. La radiación difiere de la conducción y la convección en cuanto a que no se requiere un medio físico para la transferencia. La radiación es la transferencia de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas, de manera similar a las ondas electromagnéticas que propagan y transfieren la luz.
LEY DE FOURIER
La transferencia de calor por conducción también obedece esta ecuación básica y se expresa como la ley de Fourier para la conducción de calor en fluidos y sólidos.
qx/A = -k (dT/dx)
donde qx es la velocidad de transferencia de calor en la dirección x, en watts (W), A es el área de corte transversal normal a la dirección del flujo de calor en m2, T es la temperatura en K, x la distancia en m y k es la conductividad térmica en W/m * K .
La cantidad qxlA se llama flujo específico de
calor y se expresa en W/m2. La cantidad dT/dx
es el gradiente de temperatura en la dirección
x. El signo negativo de la ecuación se incluye
debido a que si el flujo de calor es positivo en
determinado sentido, la temperatura disminuye
en ese mismo sentido.
La ley de Fourier, puede integrarse para el caso de transferencia de calor en estado estacionario a través de una pared plana con área de corte transversal constante A, donde la temperatura interior en el punto 1 es T1 y T2 es la temperatura del punto 2 a una distancia de x2 - x1 . Se integra, suponiendo que k es constante y no varía con temperatura, y eliminando por conveniencia el subíndice x de qx,
Calcule la pérdida de calor por m2 de área de
superficie para una pared constituida por una
plancha de fibra aislante de 25.4 mm de
espesor, cuya temperatura interior es de
352.7 K y la exterior de 297.1 K.
Si por conducción se transfieren 3 kW a través
de un material aislante de 1 m2 de sección
recta, 2,5 cm de espesor y cuya conductividad
térmica puede tomarse igual a 0.48 W/(m*K),
calcúlese la diferencia de temperaturas entre
las caras del material.
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
La conductividad térmica es una propiedad
física de los materiales que mide la capacidad
de conducción de calor. Es la capacidad de una
sustancia de transferir la energía cinética de
sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a
substancias con las que no está en contacto. En
el Sistema Internacional de Unidades la
conductividad térmica se mide en W/(K·m) en
J/(s·°C·m)
La conductividad térmica involucra el movimiento y vibraciones de moléculas o átomos. Cuando una sustancia se calienta, las
moléculas o átomos comenzarán a vibrar más intensamente.
Mayor interacción energética entre moléculas vecinas, transfiriendo el exceso de energía.
Cada vez que exista una diferencia de
temperatura, conductividad térmica ocurre
La propiedad que define la velocidad a que
esto ocurre se conoce como conductividad
Ante la presencia de un gradiente de
Temperatura, la energía fluirá desde la zona
caliente hacia la zona fría
Gases. El mecanismo de conducción térmica de
los gases es simple. Las moléculas poseen un
movimiento continuo y desordenado, chocan
entre sí intercambiando energía y momento
lineal.
Si una molécula se desplaza de una región de
temperatura elevada a otra de temperatura
inferior, transporta energía cinética a esa región
y la cede al chocar con moléculas de baja
energía.
Los gases como el hidrógeno tienen conductividades térmicas más elevadas y las moléculas se mueven con más rapidez cuanto menor es su tamaño. Las teorías que explican la predicción de conductividades térmicas de gases, son bastantes precisas. La conductividad térmica aumenta aproximadamente según la raíz cuadrada de la temperatura absoluta y es independiente de la presión por lo menos hasta algunas atmósferas. Sin embargo, a presión muy baja (vacío) la conductividad térmica tiende a cero.
Líquidos. En el mecanismo físico de conducción de energía en los líquidos las moléculas de energía más alta chocan con las de energía menor. Sin embargo, las moléculas de los líquidos están mucho más juntas entre sí y los campos de fuerza moleculares ejercen un efecto considerable sobre el intercambio de energía.
Puesto que no existe una teoría molecular adecuada para los líquidos, la mayoría de las correlaciones para predecir sus conductividades son de tipo empírico.
La conductividad térmica de los líquidos varía de manera moderada con la temperatura, variación que casi siempre puede expresarse con una función lineal
K = a + bT
donde a y b son constantes empíricas. Las conductividades térmicas de los líquidos son esencialmente independientes de la presión.
El agua tiene una conductividad térmica elevada en comparación con los líquidos orgánicos como el benceno.
La conductividad térmica de la mayoría de los alimentos sin congelar, como la leche descremada, o el puré de manzana que contiene grandes cantidades de agua, tienen conductividades térmicas cercanas a la del agua pura.
Sólidos. Las conductividades térmicas de los
sólidos homogéneos son muy variables. Los
sólidos metálicos como el cobre y el aluminio
tienen valores muy elevados, mientras que
algunos materiales aislantes no metálicos, del
tipo de la lana mineral y el corcho, tienen
conductividades muy bajas.
La conducción de calor a través de los sólidos se
verifica mediante dos mecanismos. El primero,
que se aplica principalmente a los sólidos
metálicos, el calor, es conducido por los
electrones libres que se mueven en la red
estructural del metal.
En el segundo, que existe en todos los sólidos,
el calor es conducido por la transmisión de
energía vibracional entre átomos adyacentes.
Calcule el flujo de calor a través de una capa de 1 cm de espesor para una diferencia de temperatura de 10 ºC, para los siguientes materiales:
Material k[W/(mK)] q/A[kW/m2]
Cobre 388
Fierro 62
Vidrio 1.2
Madera 0.17
Ladrillo 0.8
Aislante 0.1
Agua 0.62
Aire 0.025
![Transferencia Momento y Calor[1]](https://static.fdocuments.ec/doc/165x107/557212db497959fc0b911613/transferencia-momento-y-calor1.jpg)