Transferencia de Calor Cap. 1

Juan Manuel Rodriguez Prieto I.M., M.Sc., Ph.D.

Conceptos básicos

•  Termodinámica: estudia la cantidad de transferencia de calor medida que un sistema pasa por un proceso de un estado de equilibrio a otro y no hace referencia a cuanto durará el proceso.

•  Transferencia de calor: estudia la razón o la rapidez de la transferencia.

Conceptos básicos

•  Calor: forma de energía que se puede transferir de una sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura

Conceptos básicos

Leyes de la Termodinámica

•  Primera ley: la razón de transferencia de energía hacia un sistema es igual a la razón de incremento de la energía del sistema.

•  Segunda ley: el calor se transfiere en la dirección decreciente de la temperatura.

“La diferencia de temperatura es la fuerza impulsora para la transferencia de calor, precisamente como la diferencia de presión es la fuerza impulsora para el flujo de fluidos”

Campos de aplicación de la transferencia de calor

•  Aplicaciones eléctricas o de uso del gas: •  Sistemas de calefacción •  Aire acondicionado •  Refrigeradores •  Congeladores •  Calentadores de agua •  Planchas

Campos de aplicación de la transferencia de calor

Elaboración de modelos en transferencia de calor

El estudio de los fenómenos físicos comprende dos pasos importantes: •  Identificación de todas las variables que afectan

los fenómenos (suposiciones, aproximaciones y interdepencia de las variables). Se plantea el modelo matemático.

•  Se resuelven las ecuaciones matemáticas y se interpretan los resultados.

Elaboración de modelos en transferencia de calor

Energía interna

•  Energía interna se le conoce a las formas de energía relacionadas con la estructura molecular de un sistema y con el grado de actividad molecular.

•  La energía interna se considera como la suma de energías cinética y potencial de las moléculas.

•  La parte de la energía interna que esta asociada con la energía cinética de la moléculas se conoce como energía sensible.

•  La energía interna asociada con el cambio de fase de un sistema se llama calor latente.

Energía interna: Gases ideales y calor especifico

Calor especifico: la energía requerida para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. Calor especifico a volumen constante: la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia mientras el volumen se mantiene constante. Calor especifico a presión constante: la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia mientras la presión se mantiene constante.

Energía interna: Gases ideales y calor especifico

Energía interna: Gases ideales y calor especifico

Los cambios finitos en la energía interna y la entalpía de un gas ideal se pueden expresar en términos de los calores específicos como: Los calores específicos a volumen constante y a presión constante son idénticos para las sustancias incompresibles (líquidos y sólidos). Los calores específicos en sólidos y líquidos se pueden representar con el símbolo c

Δu = cvΔT Δh = cpΔT

Energía interna: Gases ideales y calor especifico

Transferencia de la energía

La energía se puede transferir hacia una masa dada, o de ésta, por dos mecanismos: calor Q y trabajo W. Calor Q: la energía es transferida en forma de calor si la fuerza impulsora es una diferencia de temperatura. Trabajo W: (Un pistón que sube, una flecha rotatoria, y un alambre eléctrico) que crucen la frontera del sistema son formas de trabajo W.

Primera ley de la termodinámica

La energía no se puede crear ni destruir solo transformar. El principio de conservación de la energía para cualquier sistema se puede expresar como sigue: El cambio neto en la energía total de un sistema en el curso de un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y que sale en el desarrollo de ese proceso.

Mecanismos de transferencia de calor

Calor: la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro, como resultado de la diferencia de temperatura. El calor se puede transferir en tres modos diferentes: conducción, convección y radiación. Todos los modos de transferencia de calor ocurren del medio que posee la temperatura más elevada hacia uno de temperatura más baja.

Conducción

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de las interacciones entre las partículas. En los gases y los líquidos la conducción se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por los electrones libres.

Conducción

Conducción

Los experimentos han demostrado que la razón de la transferencia de calor a través de una pared plana es proporcional a la diferencia de temperatura a través de ésta y al área de transferencia de calor, pero es inversamente proporcional al espesor de la capa La cons t an te de p roporc iona l idad e s l a conductividad térmica del material, que es una medida de la capacidad para conducir calor.

Q.= −k ΔT

ΔxA

Conducción

Conducción

Conductividad térmica

La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para conducir calor. Un valor elevado de conductividad térmica indica que el material es un buen conductor del calor y un valor bajo indica que es un mal conductor o un aislante. Ej: Hierro (alta conductividad), agua (baja conductividad) El diamante es un sólido cristalino que tiene la conductividad térmica conocida más elevada a temperatura ambiente.

Conductividad térmica

Conductividad térmica

Difusividad térmica

La difusividad térmica se puede concebir como la razón entre el calor conducido y el calor almacenado por unidad de volumen. Un valor pequeño de la difusividad térmica significa que, en su mayor parte, el calor es absorbido por el material y una pequeña cantidad de calor será conducida a través de él.

α = kρcp

Difusividad térmica

α = kρcp

Convección

La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el liquido o gas adyacente que esta en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. En la ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura.

Convección

Convección forzada: La convección recibe el nombre de convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador, una bomba o el viento. Convección natural: la convección recibe el nombre de convección natural si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por diferencias de densidad debidas a la variación de temperatura del fluido.

Convección

Convección

Convección Ley de enfriamiento de Newton

La rapidez de la transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura El coeficiente de convección h depende de: La configuración geométrica de la superficie. La naturaleza del movimiento del fluido Las propiedades del fluido

Q.

conv = hA Ts −T∞( )

Radiación

La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos y las moléculas. La energía transferida por radiación no requiere de medio interventor. Radiación térmica: es la forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura.

Radiación

La razón máxima de radiación que se puede emitir desde una superficie a una temperatura T es expresada por la ley de Stefan-Boltzmann Es la constante de Stefan-Boltzmann

Q.

rad =σ AT4

σ = 5.67 ×10−8 Wm2K 4

Radiación