transferencia de calor - miguel...
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Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 1
Termodinámica para ingenieros PUCP
Este es un Capítulo básico en la Termodinámica, pero en este libro solamente conoceremos los conceptos y no apli-caremos las fórmulas y ecuaciones que corresponden al curso : «Transferencia de Calor» que dura un ciclo entero en la Facultad y es llevado por los estudiantes de Ing. Mecánica. La idea aquí es que conozcan sólo literalmente las formas de transferencia de calor y puedan diferenciarlas.
En realidad TODOS los procesos de calor no involucran los distintos tipos de transferencia de calor independien-temente (Conducción, Convección y Radiación) , sino que cualquier tipo de transferencia es la combinación de los tres tipos en distintas proporciones, lo que hace de este concepto todavía mas difícil de calcular y evaluar.
Finalmente tenemos que entender que cualquier pérdida decalor es también «pérdida de dinero» , pues el CALOR CUESTA !!; por lo tanto tratemos de ahorrarlo y de diseñar nuestros equipos lo más adiabáticos (aislados térmica-mente) que podamos para aumentar los rendimientos de los equipos y también nuestras ganancias.
CALOR = DINERO
TRANSFERENCIA deCALOR
Cap. 3
INTRODUCCIÓN
Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 2
El flujo de Calor, se presenta cuando existe una diferencia de temperatura T = T2 - T1 en cualquier proceso o sistema; y se presentan en 2 formas básicas : Conducción y Radiación, una tercera es la Convección , que es la Conducción con desplazamiento de masa.
En realidad el cálculo es más complejo pues cada proceso de transferencia de calor involucra estas tres formas en forma combinada, es decir un proceso puede tener por ejemplo porcentajes diferentes de conducción, de convección y de radiación, etc. y cada uno de ellos se calcula con su propia teoría.
Este capítulo es sólo de conceptos muy básicos, solo con el propósito de recordarles lo que estudiamos en el colegio.
El calor total (fósforo mas madera) puede ser alrededor de 2 kJ, solo el fósforo puede ser
alrededor de 1 kJ
Al contacto con cualquier material, en este caso el fósforo que calienta una barra de metal.
El calor es “elevado” por el aire hacia arriba
(en realidad también existe radiación)
No es necesario el aire, el calor atraviesa cualquier material.
(Aquí también hay convección si el aire soplara en esa dirección)
3.1 Transferencia de Calor
ConducciónConvección
Radiación
Cómo calienta un fósforo?
La transmisión de calor en este caso es por :a) Conducciónb) Convecciónc) Radiaciónd) Conducción + Radiacióne) Conducción + Convecciónf) Convección + Radiacióng) Conducción + Convección + Radiación
Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 3
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3.2 ConducciónConducción es el proceso en el cual el calor es transmitido de una molécula adyacente hacia la otra sin desplazamiento de masa, pasando de las moléculas más calientes a las moléculas más frías adyacentes.
Todos los metales son buenos conductores. El agua es mal conductor. El aire es un pésimo conductor. En la tabla se puede observar los datos de la conductividad según el tipo de material.
En la mayoría de los termómetros tiene que haber contacto directo del instrumento con la fuente de calor.
El calor pasa directamente desde la fuente de alta temperatura (lengua) hacia la de menos temper-atura (helado).
EXPERIMENTO EN CLASE
Agarra un cuaderno, la mesa, la silla o las patas de la mesa de metal, Cual está más frío ?..Por qué ?
Cuál es el material de mayor conductividad térmica?
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3.3 ConvecciónEs la transferencia de calor entre un fluido en movimiento (líquido o gas) y una superficie.Los tipos de convección son:
1. Natural o libre: cuando el fluido se mueve debido a la acción del campo gravitacional y por la diferencia de volúmenes específicos (densidad) resultante de los cambios de temperatura original.
- El viento se produce por el cambio de densidad del aire
El agua ampieza a moverse antes de hervir.
El vapor de las fábricas va para arriba, en este caso es el vapor de una torre de enfria-miento.
En las termas solares el agua sube al tanque sin bomba, solo por cambio de densi-dad, es el llamado Sistema Termo-sifón.
Arena
Mar
Tiene que haber contacto directo entre dos materiales, en estos caso el agua con la resistencia eléctrica.
De dónde a dónde sopla el viento en el día ? ___________De noche ?________________
Qué son los espejismos?
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2. Forzada: el fluido se mueve por medios mecánicos (bombas o ventiladores), o agentes externos aplicados al fluido (también pueder ser Aumento de Presión).
En los motores de carro, el ventilador enfría el agua y una bomba lo transporta del motor al radiadorCuál es el flujo que se
calienta ?Cuál se enfría ?Cuál se enfriará más en cantidad de energía ? El agua o el Aire ?
Qué tipo de convección es ?
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3.4 Radiación Térmica«Todos los cuerpos emiten radiación debido al nivel de Temperatura absoluta que poseen.» Es un proceso en el cual se emite energía radiante en todas las direcciones. Si a un cuerpo frío le llega esta energía, absorbe algo de ella aumentando su energía interna y se tiene como consecuencia un aumento de su temperatura.
La energía del Sol llega a nosotros despues de viajar por el espacio a la velocidad de la luz. Cuando esta energía hace contacto con un objeto, parte de esta es tomada o absorbida. Como aumenta la energía interna entonces las moléculas vibran más. Los objetos reciben y emiten energía (en forma de radiación) todo el tiempo.Diferentes objetos emiten diferentes cantidades de radiación, dependiendo de su temperatura y su su-perficie.
Los bom-beros y los astronautas usan trajes especiales que reflejan la radiación térmica !!
Según el «color» de las cosas o de nues-tras ropas la cantidad de calor absorbida será diferente.Negro: Absorbe todo el calor.Blanco: refleja todo el calor.
Cada color del arcoiris refleja una radiación diferente
Los termómetros infrar-rojos modernos pueden registrar la temperatura desde lejos. La medición es por comparación de ondas emitidas
NOTA :Las radiaciones son-diferentes, una cosa es radiación de TV, radio y otra es radiación tér-mica que vemos en este capítulo.
Cuál calentará más ?
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Algunos ejemplos de medición de la temperatura a través de la radiación.
Calor en una casa
Temperatura de la Tierra Agujero en la Capa de Ozono
Calor de la mano
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3.5 Ejemplos en la industria y en el hogar
Botella de doble vidrio
Vacío
Pátina de pla-ta (espejos)
líquido
Termo doméstico:
En algunos termos el «va-cío» reduce la transmisión de calor por conducción y convección.
El «plateado» reduce las pérdidas por radiación.
El mango de la sartén debe ser ais-lante, mientras que el material de la sartén u ollas deben ser buenos conductores.
El interior de los invernaderos esta más caliente que el exterior porque los rayos del Sol pasan a traves del vidrio y cuando rebotan cambian su longitud de onda y ya no pueden salir; por lo que se quedan dentro calentando las plantas.
Las tuberías y los tanques calientes (como las termas domésticas y las refrigeradoras deberán estar forradas o tapadas con material aislante (consideradas como adiabáticas) para reducir las pérdidas de calor.
Laboratorio de Energía PUCP___________________________________
CODIGO COLORES DIN 12920
Qué significa el color rojo de las tuberías ?
Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 9
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Las refrigeradoras estan rodeadas de material aislante para reducir la transferencia de calor. Esto reduce que el calor exterior (puede ser el de la cocina) se meta en la refrigeradora. El calor fluye de mayor temperatura a menor.
Dentro del refrigerador se produce movimiento por convección para uniformizar la tempertura de los alimentos.
En las refrigeradoras antiguas el freezer no podía es-tar abajo pues todo el aire caliente se quedaba arriba y no habría enfriamiento en la parte superior.
Freezer
Convección
Basta que te destapes un poco y todo el calor se saldrá por el agujero !
Las frazadas son buenos aislantes térmicos (tienden a ser adiabáticos).
Las cocinas pa-rabólicas so-lares pueden llegar hasta 400 C, sólo por radi-ación.
En las planchas eléctricas el calor se transfiere por conducción (contacto directo) y podemos captar la radiación cuando alejamos la plancha de la ropa.
Los espejismos que vemos son por efecto de convección.
Qué pasaría si el Freezer quedaría en la parte de abajo de tu refrig-eradora ? _____________________________________________
Cuánto de calor puede disipar una plancha ?a) 0,5 kWb) 1 kWc) 100 kWd) 1 MW