clase 1

Transferencia de Calor y Masa

Profesora

Ing. Beatriz Salvador Gutirrez

CicloVerano2015

Transferencia de calor Ciclo Verano 2015 Ing. Beatriz Salvador

Por Qu es Importante Estudiar el Fenmeno de Transferencia de

Calor?


Intercambiadores de CalorCompresores

Centrales nuclearesSecadores


Diferencia entre Termodinmica y Transferencia de Calor

La Termodinmica estudia la cantidad de calor puesta en juego cuando el sistema pasa de un estado de equilibrio a otro. No se ocupa del tiempo que transcurre ni de los estados de no equilibrio.

La Transferencia de calor estudia la velocidad detransferencia de calor entre dos sistemas. Trata losestados de no equilibrio.El REQUISITO INDISPENSABLE para que tenga lugar latransferencia de calor entre dos sistemas es laexistencia de una DIFERENCIA DE TEMPERATURA entreellos. Cuanto mayor es el gradiente de temperaturamayor es la velocidad de transferencia de calor.

FOCO

CALIENTE (T1)

FOCO FRO (T2)

W

Q1

Q1 Q2

Q2

Esquema de una maquina trmica


HISTORIA

Cuerpo A

Mayor Temperatura

Cuerpo B

Menor Temperatura

Calrico

Superficie de Contacto

A principios del siglo XIX se conceba elcalor como un fluido invisible llamadocalrico, no tiene masa, es incoloro,inodoro e inspido que flua de loscuerpos mas calientes hacia los masfros.

Debido al desarrollo de la energa cintica se considero a las molculas (en movimiento) que poses energa cintica

EL CALOR: Se define como la energa asociada con el movimiento aleatorio de los tomos y molculas.

Efecto del calor sobre la temperatura.



Ingenieraversus

Transferencia de calor

Calderas Radiadores

Calentadores

HornosRefrigeradora

Colector Solar

FORMAS EN QUE SE PUEDE PRESENTAR LA ENERGA

Energa Atmica: Es la energa que se encuentra en el ncleo del tomo

Energa Trmica: Energa interna de los cuerpos que se manifiesta externamente en forma de calor

Energa Mecnica: Es aquella que poseen los cuerpos en movimiento.

Qumica. Energa absorbida o liberada como resultado de una reaccin qumica.


Energa Cintica y Potencial

Generada por campos electrostticos, campos magnticos o bien por corrientes elctricas.

La suma de estas energas se le llama E, energa total por unidad de masa e.

U = Energa interna de un sistema (suma de lasformas de energasmicroscpicas relacionadas conla estructura y actividadmolecular de un sistema). Porunidad de masa u.

Energa o calor sensible: Parte de laenerga interna asociadacon la energa cintica delas molculas.

Energa o calor latente. Es la energainterna relacionada con lafase. La fase gaseosa est enun mayor nivel de energainterna que las fases lquida yslida.

h = u + Pv = Entalpa por unidad de masa. El producto Pv es la energa de flujo de fluido. Es la energa necesaria par empujar y mantener el flujo de un fluido.

Calor especfico. Es la energa requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. Depende de la manera en que se ejecuta el proceso, Cv a volumen constante o Cp a presin constante.



Unidades de Energa

La unidad internacional de la energa es el joule (J) o el kilo joule (1kJ = 1000 J), 1Joule = 1 N.m = 1 m2.kg/s2

En el sistema ingls, la unidad trmica de energa (BTU) que es la energa necesaria para elevar en 10F la temperatura de 1 lbm de agua a 60 0F. ( 1 BTU = 1.055056 kJ ).

la calora ( 1 calora = 4.1868 J ). Se define como la energa necesaria en 1 0C la temperatura de un gramo de agua a 14.5 0C.

La unidad de potencia es el watt ( 1 watt = 1 joule/s ). 1w = 3.41214 BTU/h

Las unidades de temperatura son: T (0k ) = T (0C) + 273.15

Para calores especficos en: kJ/kg 0C o en kJ/kg 0k son idnticas ya que: T(0C) = T(0k).

1 w/m 0C = 0.5778 BTU/h.ft.0F


Es una forma de energa llamada energa trmica (energa en trnsito)

Unidades : Joule, calora1 cal = 4,184 J o 1J= 0,24cal.

El calor es una forma de variar la E del sistema.

No es funcin de estado y no es algo que posea el sistema.

CALOR

Flujo de CalorSiempre que ocurre una transferencia interactan dosfactores, uno a favor de la transferencia denominadafuerza impulsora o diferencia de potencial y otra que seopone denominada resistencia.

=


Relacin entre transferencia de

Calor, Masa y cantidad de Movimiento


Transferencia de Energa

Llamando a la energa trmica CalorTransferencia de la energa trmica en transferencia de calor

La cantidad de calor transferido durante el proceso es Q

La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo se llama razn de transferencia de calor y se le denota por

El punto arriba representa la derivada respecto al tiempo

La velocidad de transferencia de calor /

Entonces:

La cantidad total de transferencia de calor Q =

0

( Joule )


Si Es constanteQ = ( Joule )

La razn de la transferencia de calor por unidad de rea perpendicular a la

direccin de esa transferencia se llama Flujo de Calor y este flujo promedio es

=

2 (

(. 2)

=

= 24 = .

3m

2m

El flujo de calor es latransferencia de calor porunidad de tiempo y porunidad de rea

=24

62= 4 2


Sistema cerrado estacionario = =

Sistema cerrado estacionario, sin trabajo =

Q es la cantidad neta de transferencia de calor que entra o sale del sistema. Cv calor especifico , usualmente a presin constante.

Mecanismo de Transferencia de CalorDiariamente la energa calrica es utilizada para:

Cocinar

CalefaccinAgua Caliente

Soldadura

Etctera, etctera .



Mecanismo de Transferencia de CalorEl calor puede transferirse de un lugar a

otro por tres mtodos diferentes:

Por conveccin en fluidos lquidos o gases

La conduccinse da en solidos

y por radiacin a travs decualquier medio transparentea ella


CONDUCCIN

Es el proceso por el que la energa trmica se transfiere mediantecolisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medioen si no se mueve

El piso de baldosa se siente ms fro que el de madera, aunquelos dedos estn a la misma temperatura. Se debe a que labaldosa es mejor conductor de calor que la madera, para que elcalor pasa con ms facilidad del pie y a la baldosa.


CONVECCION

Corriente de conveccin en el aire Corriente de conveccin en el agua

Es el proceso por el que la energa trmica se transfieremediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.

El fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluidos mas fros, lo que produce corrientes de conveccin.


Cuando el calor pasa de un cuerpo a otro sin necesidad de la intervencin de unmedio transmisor, entonces el calor se propaga por radiacin.

El cuerpo caliente emite ondas o radiaciones, que se van extendiendo por el espacio.

RADIACION


Mecanismo de Transferencia de Calor

por Conduccin


Jean-Baptiste-Joseph Fourier

matemtico y fsico francs conocido por sus trabajos sobre ladescomposicin de funciones peridicas en series trigonomtricasconvergentes llamadas Series de Fourier, mtodo con el cual consiguiresolver la ecuacin del calor. La transformada de Fourier recibe su nombreen su honor. Fue el primero en dar una explicacin cientfica al efectoinvernadero en un tratado

Auxerre, Francia 21 de marzo de 1468 Paris, 16 de mayo de 1830

http://es.wikipedia.org/wiki/Matem%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Series_de_Fourierhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_del_calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_de_Fourierhttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero


Procesos de transferencia de energa en forma

de calor. Conduccin

Conduccin Trmica, Mecanismo de transporte de calor en el cual la energa se

transporta entre partes de un medio continuo por la transferencia de energa cintica entre partculas o grupos

de partculas a nivel atmico.

Cmo se produce el transporte

Gases: colisin elstica en las molculas. Lquidos y slidos no conductores elctricos: vibraciones lineales de la estructura.

Slidos conductores elctricos: movimiento de electrones. No hay desplazamiento de materia

Dnde domina el mecanismo de conduccin

Slidos opacos (no hay flujo de masa) En fluidos, en la capa cercana a la superficie slida, en donde

no hay turbulencias (remolinos).


Cmo es posible caminar sobre piedras o tizones de madera encendidos sin sufrir quemaduras en los pies?


FOURIER

H = corriente calorfica (J/s)

A = rea superficial (m2)

Dt = diferencia de temperatura

L = grosor del material

Conductividad trmica

t1 t2

Dt = t2 -t1

La conductividad trmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

QLk

A t

DQ kA t

HL

D

Cms

JUnidades


Las unidades SI para conductividad

Caliente Fro QLk

A t

D

Para cobre: k = 385 J/s m C0

Taken literally, this means that for a 1-m length of copper whose cross section is 1 m2 and whose end points differ in temperature by 1 C0, heat will be conducted at the rate of 1 J/s.

En unidades SI, por lo general mediciones pequeas de longitud L y rea A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en frmulas.


Unidades antiguas de conductividad

Tomado literalmente, esto significa que, para una placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya rea es 1 ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0, el calor se conducir a la tasa de 5.6 Btu/h

Dt = 1 F0

L = 1 in.

A=1 ft2

Q=1 Btu

1 h

Unidades antiguas, todava activas, usan mediciones comunes para rea en ft2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y cantidad de calor en Btu.

k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0


Conductividades trmicas

A continuacin se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades trmicas de materiales:

Cobre:

Concreto o vidrio:

Tablero de corcho:

385 2660

0.800 5.6

0.040 0.30

MaterialoJ/s m C 2 0Btu in/ft h F


Ejemplos de conductividad trmica

Aluminio:

Comparacin de corrientes calorficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0

Cobre:

Concreto o vidrio:

Tablero de corcho:

2050 kJ/s 4980 Btu/h

3850 kJ/s 9360 Btu/h

8.00 kJ/s 19.4 Btu/h

0.400 kJ/s 9.72 Btu/h



Otra propiedad de los materiales que aparece en el anlisis de la

CONDUCCION del calor en rgimen transitorio es la

DIFUSIVIDAD TERMICA, la cual representa cuan rpido se difunde el calor por un material y se define como:

=

=

(2/



por Conveccin


Procesos de transferencia de calor Conveccin Mecanismo de transferencia de calor en el cual la energa se transporta por el movimiento del

fluido. Incluye tambin conduccin molecular


Debido al movimiento del fluido unas partes de l se mezclan con otras a diferente temperatura. El mecanismo de transporte de energa de una partcula del fluido o molcula a otra es de transferencia de energa cintica, como en el caso de la conduccin. La diferencia

es que en conveccin se produce desplazamiento de masa

Dnde domina el mecanismo de conveccin

Fluidos en contacto con slidos a diferente temperatura/Entre partes de un fluido, a diferente temperatura. No es posible observar conduccin pura en el seno de un fluido

Tipos de conveccin

Natural, Forzada o Libre

Transferencia de Calor por Conveccin



h (Wm-2K-1)

Conveccin libre en aire 5-25

Conveccin libre en agua 500-1000

Conveccin forzada en aire 10-500

Conveccin forzada en agua 100-15000

Agua hirviendo 2500-25000

Vapor condensando 5000-100000

Valores tpicos del coeficiente de conveccin

Los vientos son el desplazamiento del aire que se origina como consecuencia delcalentamiento de las masas, slidas y lquidas, que existen sobre la tierra, debido a laaccin del sol sobre ellas. Este calentamiento no uniforme produce a diferenteslatitudes, diferencia de presin y temperatura, que motivan el desplazamiento de losflujos de aire que denominan viento.


Las brisas marinas se originan como consecuencia de los distintos caloresespecficos, y la diferente velocidad de calentamiento y enfriamiento del mar yla tierra.

vientos inducidos trmicamente, vientos inducidos por la orografa y vientos generales influenciados por los efectos climticos locales.



Sabemos que el cuerpo tiene que mantener el equilibrio trmico. Para elloel organismo humano dispone de un sistema termorregulador, que lepermite mantener un equilibrio trmico incluso en condiciones trmicasmuy desfavorables.

Desde el punto de vistatrmico, aunque no siemprees as, la funcin principalde la ropa es proporcionarun determinado nivelde aislamiento y reducir lasprdidas de calor del cuerpohumano.



por Radiacin

Mecanismos de Radiacino La transferencia de Calor por radiacin, es la

transferencia de energa a travs del espacio por medio deondas electromagnticas.

o Corresponde al proceso en el cual el calor fluye desde uncuerpo de alta temperatura a un cuerpo de baja, cuando estnseparados por un espacio que puede ser el vaco (Hornos).

o Este mecanismo ocurre a altas temperaturas.

o No se requiere de un medio fsico, para que exista radiacin.


Procesos de transferencia de calor

Radiacin TrmicaMecanismo de transferencia de calor en el cual la energa se emite por la superficie de un cuerpo en forma de

radiacin electromagntica por el hecho de estar dicha superficie a temperatura superior a 0 K.


La radiacin electromagntica (ondas y/o corpsculos) transportan la energa en todas direcciones desde lasuperficie emisora. Cuando la radiacin alcanza otro cuerpo, parte puede ser absorbida, parte reflejada y partepuede ser transmitida. La parte que es absorbida aparece en forma de calor en el cuerpo absorbente. Eltransporte no requiere presencia de materia.

Dnde domina el mecanismo de radiacin

La radiacin siempre est presente entre cuerpos materiales, establecindose un intercambio radiativo entre los cuerpos. El intercambio radiativo es predominante cuando la diferencia de temperaturas es elevada

La radiacin es una forma de intercambio de energa completamente diferente a la conduccin y conveccin


Emitida por la superficie originada de la energa trmica de la materia que rodea la superficie

Superficie emisividad , Absortividad , a temperatura Ts.

G E Qconv Gas a: T con h

Ley de Stefan- Boltzmann. El lmite superior de la potencia emisiva E

;Ts(0k)

= 5.67x10-8 (w/m2k) Cte S-B

0 <

FORMA ESPECIAL DE ECUACIN

Si se esta considerando la radiacin entre dos superficies de diferente

temperatura. El piso a Ts y alrededores a Talr. Se est considerando la

diferencia de energa trmica que es liberada debido a la emisin de

Radiacin y generada debido a la absorcin de la radiacin.

Algunas veces es conveniente expresarla como:

hr = Coeficiente de Transferencia de Calor por radiacin.

Hay tres temperaturas caractersticas: Ts, T y Talr

)( sursrr TTAhQ

))(( 22 surssursr TTTTh


Tabla 1.3 Emisividades de algunos materiales a 300 0k

material emisividad material emisividad

Hoja de

Aluminio

0.07 Aluminio

anodizado

0.82

Cobre

pulido

0.03 Oro pulido 0.03

Plata pulida 0.02 Acero inox

pulido

0.17

Pintura

negra

0.98 Pintura

blanca

0.90

Papel

blanco

0.92-0.97 Pavimento

de asfalto

0.85-0.93

Ladrillo rojo 0.93-0.96 Piel

humana

0.95

madera 0.82-0.92 suelo 0.93-0.96

agua 0.96 vegetacin 0.92-0.96



Radiacin trmica (0.3 m 100 m)

Radiacin de onda larga: 3m - 100 m .

Radiacin de onda corta o solar: 0.4m-3m.


El Sol Irradia Energa

Radiacin trmica. Espectro electromagntico

Longitud de onda1 Amgstrom (A) = 10-10 m1 nanometro (nm)= 10-9 m

1 micrometro (m) = 10-6 m1 m = 1000 nm

Frecuencia1 kilohertzio (KHz) = 103 Hz

1 megahertzio (MHz) = 106 Hz1 gigahertzio (GHz) = 109 Hz

La radiacin trmica abarca la parte

del espectro electromagntico entre

0,3 y 100 m


Aplicaciones: Central trmica solar

RADIACIN

Mecanismos de Transferencia de Calor

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Transferencia de calor por radiacinLas energas radiantes

podemos mencionar:- Los rayos csmicos- Rayos x- Rayos gama- Rayos ultravioleta- La luz visible- Rayos infrarrojos- Ondas de radio

W][)( 44 recs TTAQ

Boltzmann -Stefan de ]constanteK[W/m 105.67x

superficie la de emisividad;

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