Transferencia de Calor - Red Creativa de...

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Mayo 2006 - Cl.3-6 UNSAM - Física 1 - BUC - S.Gil 1

Transferencia de Calor

Física Térmica

S. Gil

UNSAM -2008


Física Térmica

� Transferencia de Calor

� Conducción

� Convección

� Radiación

� Evaporación


Calor y Temperatura

� El intercambio de energía entre dos objetos debido a una diferencia termica se llama calor.

� Dos ojbetos entán en contacto termico si pueden intercambiar energía entre ellos.

� Equilibrio Térmico: Existe entre dos cuerpos que estan en contacto térmico y no inercambian energia o el intrercambio ha cesado. Decimos que tiene la misma temperatura.

� Temperatura: una medida de la energía cinética media por molécula

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Ley Cero de la Termodinámica

� Si los objetos A y B están en equilibrio térmico con un tercer curpo C, entoces A y B están en equilibrio térmico entre sí.

� Posibilita la definición y medición de temperatura

El Carácter transitivo : No es universal


Transferencia de Calor


Conducción

� El calor fluye de una región más caliente a otra más fría vinculadas por un medio material que las conecta

� Ejemplo: Si sostenemos una barra de metal, uno de cuyos extremos está en contacto con el fuego, el otro (el que sostenemos) se calienta

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Conducción - Características

� Existe un medio material a través del cual se propaga el calor (barra)

� Se transmite el calor sin transporte de materia (no se mueve nada, solo fluye calor)


Conducción


Convección

� Existe un medio material fluido a través del cual se propaga el calor

� La densidad del medio varía con la temperatura y la gravedad juega un rol importante, sin ella no hay convección.

� El calor se transmite con transporte de materia.

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Radiación�No es necesario que exista un medio material para que se produzca la radiación.

�El calor se transmite sin transporte de materia.�El calor es transferido por medio de la radiación electromagnética (radiación infrarroja, microondas, etc.)

�Las temperaturas altas irradian más calor que las frías.

�Los cuerpos negro irradian más que los claros o brillantes.

�La radiación Electromag. pasa por medios transparentes (aire, vidrio, espacio) sin calentarlos significativamente.

�EX: la radiación térmica del Sol calienta la Tierra sin calentar el espacio entre estos cuerpos.


Conducción - Detalles

� Existe un medio material a través del cual se propaga el calor

� Se transmite el calor sin transporte de materia.

� Conduction es la transfeencia de calor por medio de la vibración de electrones o moleculas (fonones) En este caso el medio

material es la barra metálica. No se mueva la materia

Ecuación general de la conducción-Ley de Fourier

Q : Cantidad de energía (Calor), H=dQ/dt : Flujo de calor (W)

k : Coeficiente de cond. Térmica de material (barra) (J/m.s.ºC)

t : Tiempo (s)

TH : Temp caliente

TC : Temp fría

L : Distancia entre los extremos

A : Area de la sección Transversal

dx

dTAk

dt

dQWH ⋅⋅−==][

El Flujo de calor (H ) es proporcional al gradiente de temperatura (dT/dx)

TH

Hot

TC

Cold

L = ∆x

Area A

L

)T-(T A k-

dt

dQH CH⋅⋅==

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Ecuación de conducción

dx

dTAk

dt

dQwH ⋅⋅−==)(

H=dQ/dt

TF

ATC

dx

A

dt

dQH =

L

ℜ

∆=−⋅

⋅−==

TTT

l

Ak

dt

dQH FC )(

Ak

lter

⋅=ℜ

Ecuación de conducciónSistemas en serie y Paralelo

dx

dTAk

dt

dQwH ⋅⋅−==)(

dx

A

dt

dQH =

ℜ

∆=−⋅

⋅−==

TTT

l

Ak

dt

dQH FC )( Ak

lter

⋅=ℜ

12

12 )(

ℜ

−−=

TTH

2112 ℜ+ℜ=ℜ 2112

111

ℜ+

ℜ=

ℜ

T2 > T1Tm

d

21

d

11

T1

T2

2

1

H=dQ/dt

d

T2

T1

2 1

H=dQ/dt

Sistema en ParaleloSistema en serie

Pared y ventanaVidrios dobles


Conductividad térmica de Varias Sustancias

380Copper

427Silver

80Iron

2.7Granite

2.1Ice

2.1Wet Soil

0.63Snow

0.60Water at 20 °C

0.25Dry Soil

0.023Air at 20 °C

Heat Conductivity (w/m.k)Substance

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Convección

� Existe un medio material fluido a través del cual se propaga el calor

� La densidad del medio varía con la temperatura y la gravedad juega un rol importante, sin ella no hay convección.

� El calor se transmite con transporte de materia.


Tipos de Convección

� Convección NATURAL: La variación de densidades por variación de temperatura dentro del fluido (medio) genera el flujo del fluido

� Convección Forzada: El uso de dispositivos mecanico (ventiladores, bombas, etc.) produce o estimula el movimiento del fluido


Convección NATURAL

�Convección NATURAL : La variación de densidades por variación de temperatura dentro del fluido (medio) genera el flujo del fluido.

� En primera aproximación, viene descripta por la ley de enfriamiento de Newton

h una constante característica que depende del régimen de disipación (laminar, turbulento, etc.) de la conductividad térmica del medio fluido y el estado de las superficies

( )medioconvconv TThAHP −⋅⋅== sup

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Convección - Ejemplo


Convección

� Convección el calor es tranferido por medio del transporte macroscopico de materia en la dirección vertical


Radiación�No es necesario que exista un medio material para que se produzca la radiación.

�El calor se transmite sin transporte de materia.�El calor es transferido por medio de la radiación electromagnética (radiación infrarroja, microondas, etc.)

�Las temperaturas altas irradian más calor que las frías.

�Los cuerpos negro irradian más que los claros o brillantes.

�La radiación Electromag. pasa por medios transparentes (aire, vidrio, espacio) sin calentarlos significativamente.

�EX: la radiación térmica del Sol calienta la Tierra sin calentar el espacio entre estos cuerpos.

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Emisividad, e

“Determina la eficiencia con que un objeto irradia o absorve energía por radiación”Varía entre e=0 to e=1Para Superficies similares:

� e es bajo para (cercano a 0)Para color blanco, brillante, o superficiesclaras ( emisores / absorbentes pobres)

� e alto (cercano a 1) para superficies negras (buenos emisores / absorbentes )


Ley de Stefan-Boltzmann

P =La potencia irradiada por una superficie (de área A) y emisividad e, a temperatura T.σ es la constante de Stephan Boltzmann (Universal) σ =5.67 x 10–18 J / (s m2 K4)

P = e σ T4 A


Radiación� Radiación: Todos los objetos irradian energía electromagnética.

� e = emisividad (between 0 and 1) Negro perfecto “black body” e=1

� T temperatura absoluta

� σ = Stefan-Boltzmann constant = 5.67 x 10-8 J/(s m2K4)

� No se requiere ningun medio material

� Todos los objetos absorben energía electromagnética del medio. �

� Buenos emisores= buenos absorbentes (e= 1)

4TA e dQ/dt Pemit ⋅⋅⋅== σ

4

0TA e dQ/dt Pabsor ⋅⋅⋅== σ

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Espectro Electromagnético


Espectro Electromagnético


Ley de Wein

� La ley de Wein establese que la longitud de onda a la que un cuerpo emite mayor radiación está realcionada con su temperatura.

� λmax = θ/T(Ley de Wien)

donde λmax

esla longitud de onda acorrespondiente a la máxima radiación electromagnética, θ es una constante igual a 2897 µm K, y T es la temperatura en Kelvin.

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La ley de Wien explica por qué al calentar un cuerpo este cambia de color, llegando a ser incandesente a altas temperaturas


Resuman: Mecanismos de transferencia

� Conducción:El calor fluye por un medio material

� Convección:El calor fluye por un medio del movimiento

del medio material (Fluido)� Radiación:

El calor fluye por medio ondas electromagneticas

Siempre el calor va del cuerpo caliente al frío


Efecto Invernadero Efecto Invernadero (greenhouse)(greenhouse)

� El vidrio es tranparente a la luz visible (long. de ondas cortas) , pero ocaco al la radición infrarroja (long. De onda larga)

� El interior está más caliente que el exterior

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La atmosfera


Atmósfera de la Tierra


Atmósfera de la Tierra� Distintos gases absorben energía a distintas long. de ondas

� CO2 y H2O absorben fuertemente la radiación Infrarroja. Al re-emitir lo hacen en todas las direcciones. El resultado neto es que más energía queda dentro de la atmósfera.

� Por eso las noches nubladas no son tan frías como las despejadas.

� La emisión de CO2 genera calentamiento de la Tierra

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Space Shuttle Thermal Protective System

El sistema de protección térmica del Space Shuttle (TPS), está

diseñado para matener la tempartura de la estructura de aluminio

que los cubre a temperaturas inferiores a unos 177º C, mientras que

la temperatura externa de la tejas que lo cubren excede los 1,260º C.

Esta teja es del Space Shuttle Columbia

Despues de su primera misison en Abril de 1981.

Problema

Determine la conductividad térmica del material que se

requiere, de 10 cm espesor, para que cuando sus

temperaturas extemas son como las del Shutlle, el flujo de

energía sea de 945 w/m2 (300 BTU/hr ft2 ) . . Compare este

valor con el de los materiales comunes.


Cocinas a leña

Las modernas explotan todos los mecanismos de transferencia: Conducción, Convección & Radiación


Resumen

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Termos - Dewar


Cambio de fases

� Se necesita calor (calor latente) en las transiciones de fase.

� Fusión (Solido- Liq) Calor latente de fusión

� Evaporacion (Liq.-Vapor) Calor latente de vaporización)

tiempo

Tem

pera

tura

fusión

Ebullición

Sólido

Liquido

Vapor

Hay un flujo de calor constante


Central eléctrica nuclear

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Turbina Potencia≈1,500 hp ≈1.125 MW

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