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TAREA #1 DE TRANSFERENCIA DE CALOR: CONDUCCIN, CONVECCIN,
RADIACIN
Daz Rentera Kevin1, Hernndez Lpez Andrs1, Samir Meramo1, Pineda
Mercado Melissa1.
Mueses Miguel ngel2.
1Estudiantes de Transferencia de calor, Programa de Ingeniera
Qumica, Universidad de Cartagena.
2Docente de Transferencia de calor, Programa de Ingeniera
Qumica, Universidad de Cartagena.
(Fecha de entrega: 11 de Febrero del 2013)
RESUMEN. El presente informe tiene como objetivo primordial
exponer las caractersticas generales
de los diferentes tipos de transferencia de calor y por
consiguiente observar que factores pueden
influir en ellos cuando ocurre un intercambio de calor. Es
importante identificar que interferencias
puedan haber en el medio y hacer los respectivos anlisis de
flujo (aire y agua) que pueden estar
presentes en cada tipo. Mediante una serie de experimentos se
pretende calcular caractersticas
fundamentales de los diferentes tipos de transferencia de calor
que se pueden presentar, ya sea desde
el clculo de la constante de conductividad trmica, la influencia
de la velocidad de flujo de
refrigeracin dentro de un proceso, hasta las condiciones ptimas
que hacen que un proceso se
presente de una manera ms rpida y eficiente.
PALABRAS CLAVE. Transferencia de calor, conduccin, conveccin,
radiacin.
ABSTRACT. The following lab reports main objectives include
describing general characteristics
of the different types of heat transfer and therefore to note
that these factors may influence when a
heat exchange occur. It is important to identify that
interference in the medium and make the
respective analysis (air and water) that can be present in each
type. Through a series of experiments
is possible to calculate the fundamental characteristics of
different types of heat transfer from the
calculation of the thermal conductivity constant, the influence
of the coolant flow rate within a
process, until optimal conditions that make a present process
quickly.
KEYWORDS. Heat transfer, conduction, convection, radiation.
1. INTRODUCCIN
En la actualidad, infinidades de procesos
industriales, requieren de cantidades de
energa para poder llevarse a cabo, la
termodinmica establece las bases necesarias
para calcular la cantidad de energa necesaria
para que un sistema pase de un punto de
equilibrio a otro, es decir, calcula cantidad de
energa necesaria para que el proceso se lleve
a cabo. Lo que no aporta la termodinmica es
el tiempo en que se da dicho proceso, es aqu
donde el estudio de la velocidad de
-
transferencia del calor toma un papel
importante. Mientras que la termodinmica
estudia los procesos desde un punto de
equilibrio a otro, la transferencia de calor,
considera los fenmenos de transporte de
energa asociados a una condicin de no
equilibrio. Sabiendo bien que el calor es aquel
flujo de energa que se presenta debido a un
gradiente de temperatura entre un sistema y
otro, es necesario definir las diferentes formas
de transferencia de dicha energa en trnsito.
La ley cero de la termodinmica establece que
el flujo energtico fluye de cuerpos de mayor
a menor temperatura hasta alcanzar una
temperatura de equilibrio igual para ambos
cuerpos, se debe definir las diferentes manera
en que esta energa fluye y las caractersticas
que presenta cada tipo de fenmenos de
transporte energtico. A partir de ah se
introdujo que el calor puede ser transferido de
un sistema a otro por medio de tres fenmenos,
los cuales juegan un papel importante en los
clculos de la ingeniera actual.
2. MARCO TERICO
Transferencia de calor: Es el paso
de energa trmica desde un cuerpo de mayor
temperatura a otro de menor temperatura.
Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto
slido o un fluido, est a
una temperatura diferente de la de su entorno
u otro cuerpo, la transferencia de energa
trmica, tambin conocida como transferencia
de calor o intercambio de calor, ocurre de tal
manera que el cuerpo y su entorno
alcancen equilibrio trmico. La transferencia
de calor siempre ocurre desde un cuerpo ms
caliente a uno ms fro, como resultado de
la Segunda ley de la termodinmica. Cuando
existe una diferencia de temperatura entre dos
objetos en proximidad uno del otro, la
transferencia de calor no puede ser detenida;
solo puede hacerse ms lenta.1
Conduccin: La conduccin de calor slo
ocurre si hay diferencias de temperatura entre
dos partes del medio conductor. Para un
volumen de espesor x, con rea de seccin
transversal A y cuyas caras opuestas se
encuentran a diferentes T1 y T2, con T2 > T1,
como se muestra en la figura 1, se encuentra
que el calor Q transferido en un tiempo t
fluye del extremo caliente al fro. Si se llama
H (en Watts) al calor transferido por unidad de
tiempo, la rapidez de transferencia de calor H
= Q/t, est dada por la ley de la conduccin
de calor de Fourier.1
Conveccin: Es el mecanismo de
transferencia de calor por movimiento de masa
o circulacin dentro de la sustancia. Puede ser
natural producida solo por las diferencias de
densidades de la materia; o forzada, cuando la
materia es obligada a moverse de un lugar a
otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el
agua con una bomba. Slo se produce en
lquidos y gases donde los tomos y molculas
son libres de moverse en el medio.1
Figura 1- Conduccin
Figura 2- Conveccin
-
Radiacin: A diferencia de la conduccin y
la conveccin, o de otros tipos de onda, como
el sonido, que necesitan un medio material
para propagarse, la radiacin electromagntica
es independiente de la materia para su
propagacin, de hecho, la transferencia de
energa por radiacin es ms efectiva en el
vaco. Sin embargo, la velocidad, intensidad y
direccin de su flujo de energa se ven
influidos por la presencia de materia. As, estas
ondas pueden atravesar el espacio
interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra
desde el Sol y las estrellas.1
3. MATERIALES
Soporte.
Pinzas.
Plancha trmica.
Fuente.
Varilla (15cm) de acero inoxidable.
Placa de acero inoxidable.
2 termocuplas.
2 erlenmeyers.
4. PROCEDIMIENTO
4.1 Conduccin:
Se utiliz para el experimento por
conduccin una varilla de acero
inoxidable de 15cm.
Nota: La varilla se marc cada centmetro
y se hicieron diferentes mediciones.
Adems para que no hubiera transferencia
de calor por conveccin se coloc en la
parte baja del laboratorio y no se le
permiti interferencias de ningn lado de
las ventanas.
Luego por medio de un soporte y una
pinza (con aislante) se coloc la varilla de
manera que solo tocara por un extremo la
plancha trmica. La temperatura mxima
de la placa era de 300C.
Finalmente, teniendo el montaje armado y
con la ayuda de una fuente y una
termocupla, se midieron los puntos que se
mostrarn en la tabla de resultados.
4.2 Conveccin:
Para realizar este experimento por
conveccin se utiliz tambin la
plancha trmica.
Se calent la placa a mxima
temperatura y con ayuda de una pinza
y guantes se coloc en la pluma del
laboratorio.
Luego se abri la pluma de manera
que slo le pasaba agua por encima de
ella y con la termocupla se tomaba la
temperatura por debajo, esto se realiz
hasta que la placa alcanzar el estado
estable.
Finalmente se midi el flujo de agua y
se repiti el proceso dos veces ms.
4.3 Radiacin: En este caso para simular
el vaco, se aisl cada uno de los
experimentos de manera que no
hubiera interferencias de ningn tipo.
a. Se mezcla el agua caliente y el
agua fra en el instante 0, luego
por medio de un cronometro se
tom el tiempo de la prueba
con una razn de 5 minutos.
b. Se calent el agua hasta 90C,
dejando enfriar.
c. Luego de calentar el agua hasta
aproximadamente 90C, se
coloc a enfriar y luego se agreg
el agua fra (ambiente).
-
5. RESULTADOS
5.1 Experimento 1: Conduccin
(/) = 521 = 0,02 = 15
a. Primer ensayo:
b. Segundo ensayo
T(C) T(K) x(m)
70 343 0.02
69.1 342.1 0.04
60.6 333.6 0.06
54.5 327.5 0.08
52.8 325.8 0.1
48 321 0.12
c. Tercer ensayo
T(C) T(K) x(m)
73 346 0.02
68.5 341.5 0.04
58.6 331.6 0.06
56.2 329.2 0.08
48.2 321.2 0.1
47.1 320.1 0.12
315
320
325
330
335
340
345
350
0 0,05 0,1 0,15
T (
K)
x (m)
Temperatura (K)
Vs Distancia (m)T(C) T(K) x(m)
56.8 329.8 0.02
55.5 328.5 0.04
52.3 325.3 0.06
49 322 0.08
44.6 317.6 0.1
43.2 316.2 0.12
Grfico 2/ Temperatura (K) Vs distancia (m)- Ensayo 2
Tabla 3/ Temperatura (K) Vs distancia (m)
314
316
318
320
322
324
326
328
330
332
0 0,05 0,1 0,15
T (
K)
x (m)
Temperatura (K)
Vs Distancia (m)
Tabla 2/ Temperatura (K) Vs distancia (m)
Grfico 1/ Temperatura (K) Vs distancia (m)- Ensayo1
Tabla 1/ Temperatura (K) Vs distancia (m)
-
d. Cuarto ensayo
T(C) T(K) x(m)
75.8 348.8 0.02
68.2 341.2 0.04
61.5 334.5 0.06
56 329 0.08
51.4 324.4 0.1
42.6 315.6 0.12
5.2 Experimento 2: Conveccin
a. Flujo1= 0.004156 L/s
Tiempo (s) T(C) Tiempo (s) T(C)
5 120,0 115 33,7
10 104,0 120 33,0
15 93,0 125 32,6
20 84,0 130 32,2
25 76,0 135 31,8
30 69,0 140 31,5
35 65,0 145 31,2
40 62,0 150 30,9
45 59,0 155 30,8
50 55,5 160 30,6
55 52,0 165 30,4
60 49,5 170 30,5
65 47,0 175 30,0
70 45,0 180 29,9
75 43,0 185 29,8
80 41,0 190 29,6
85 39,0 195 29,5
90 38,0 200 29,4
95 37,0 205 29,3
100 36,0 210 29,2
105 35,0 215 29,2
110 34,4
315
320
325
330
335
340
345
350
0 0,05 0,1 0,15
T (
K)
x (m)
Temperatura (K)
Vs Distancia (m)
Tabla 4/ Temperatura (K) Vs distancia (m)
Grfico 4/ Temperatura (K) Vs distancia (m)- Ensayo 4
Tabla 5/ Temperatura (C) Vs tiempo (s)
310
320
330
340
350
360
0 0,05 0,1 0,15
T (
K)
x (m)
Temperatura (K)
Vs Distancia (m)
Grfico 3/ Temperatura (K) Vs distancia (m)- Ensayo 3
0
50
100
150
200
-20 10 40 70 100 130 160 190 220
T (
K)
t (s)
Temperatura (C) Vs Tiempo (s)
Grfico 5/ Temperatura (C) Vs distancia (m)- Ensayo 1
-
020
40
60
80
100
120
140
160
180
-20 10 40 70 100 130 160 190 220
T (
C)
t (s)
Temperatura (C) Vs tiempo (s)
b. Flujo2= 0.0156 L/s
Tiempo (s) T(C) Tiempo (s) T(C)
5 137,0 115 34,1
10 118,0 120 33,6
15 102,0 125 33,0
20 90,0 130 32,6
25 81,0 135 32,2
30 74,0 140 31,7
35 68,0 145 31,4
40 61,6 150 31,1
45 57,1 155 30,9
50 53,0 160 30,7
55 50,0 165 30,4
60 47,1 170 30,2
65 44,8 175 30,0
70 42,9 180 29,8
75 41,4 185 29,7
80 40,0 190 29,6
85 38,8 195 29,5
90 37,8 200 29,4
95 36,6 205 29,3
100 36,0 210 29,2
105 35,2 215 29,2
110 34,7
c. Flujo3= 0.0766 L/s
Tiempo (s) T(C) Tiempo (s) T(C)
5 132,6 115 35,5
10 115,6 120 35,0
15 102,5 125 34,6
20 90,8 130 34,2
25 82,4 135 33,7
30 74,9 140 33,2
35 68,3 145 32,8
40 62,7 150 32,5
45 58,6 155 32,2
50 54,9 160 31,9
55 51,8 165 31,8
60 49,1 170 31,5
65 46,7 175 31,2
70 44,6 180 31,1
75 42,9 185 30,9
80 41,5 190 30,7
85 39,8 195 30,6
90 38,8 200 30,3
95 38,0 205 30,1
100 37,3 210 30,0
105 36,7 215 30,0
110 36,0
Tabla 6/ Temperatura (C) Vs tiempo (s)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-20 10 40 70 100 130 160 190 220
T (
C)
t (s)
Temperatura (C) Vs tiempo (s)
Tabla 7/ Temperatura (C) Vs tiempo (s)
Grfico 6/ Temperatura (C) Vs distancia (m)- Ensayo 2 Grfico 7/
Temperatura (C) Vs distancia (m)- Ensayo 3
-
5.3 Experimento 3: Radiacin
a. Mezclando el agua caliente y el
agua fra al inicio
Temperatura ambiente:
31 C.
Total- tiempo: 4 horas-10
minutos.
Tiempo
(min)
T (C) Tiempo
(min)
T (C)
0 71,1 130 33,2
5 66,7 135 32,8
10 62,7 140 34,1
15 59,4 145 33,9
20 56,4 150 33,7
25 53,9 155 33,5
30 51,7 160 33,1
35 49,7 165 33,1
40 48,0 170 32,9
45 46,4 175 32,8
50 45,0 180 32,6
55 43,7 185 32,4
60 42,3 190 32,3
65 40,9 195 32,1
70 39,7 200 31,9
75 38,6 205 31,7
80 38,0 210 31,6
85 37,4 215 31,5
90 36,9 220 31,3
95 36,4 225 31,3
100 36,0 230 31,2
105 35,6 235 31,2
110 35,3 240 31,1
115 35,2 245 31,1
120 34,8 250 31,0
125 34,4
b. Dejando el agua caliente enfriarse
sin adicionar el agua fra.
Temperatura ambiente:
30,9.
Total-tiempo: 3 horas. 45
minutos.
Tiempo
(min)
T (C) Tiempo
(min)
T (C)
0 90 115 34,3
5 78,7 120 33, 8
10 71,4 125 33,5
15 65,6 130 33,2
20 61,1 135 32,8
25 57,3 140 32,6
30 54,2 145 32,3
35 51,5 150 32,1
40 49,2 155 31,9
45 47,2 160 31,8
50 45,4 165 31,6
55 43,9 170 31,5
60 42,5 175 31,4
65 41,3 180 31,3
70 40,3 185 31,3
75 39,3 190 31,2
80 38,4 195 31,1
85 37,0 200 31,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 100 200 300
T (
C)
t (s)
Temperatura (C) Vs Tiempo (min)
Tabla 8/ Temperatura (C) Vs tiempo (s)
Grfico 8/ Temperatura (C) Vs distancia (m)- Exp 1
Tabla 9/ Temperatura (C) Vs tiempo (s)
-
90 37,1 205 31,0
95 36,3 210 31,0
100 35,8 215 30,9
105 35,2 220 30,9
110 34,7 225 30,9
c. Dejando el agua caliente
enfriarse hasta 45C y luego
adicionar el agua fra.
Temperatura ambiente:
31,3.
Total- tiempo: 2 horas-
35 minutos.
Tiempo
(min)
T
(C)
Tiempo
(min)
T (C)
0 90 80 34,4
5 74,0 85 34,1
10 69,4 90 33,7
15 63,8 95 33,4
20 59,2 100 33,1
25 55,5 105 32,9
30 52,4 110 32,6
35 49,8 115 32,4
40 47,6 120 32,2
45 45,2 125 32,0
50 43,8 130 31,8
55 36,8 135 31,6
60 36,2 140 31,5
65 35,6 145 31,4
70 35,2 150 31,3
75 34,8 155 31,3
6. CLCULO Y/O NALISIS DE
RESULTADOS.
6.1 Experimento 1: Conduccin
Utilizando una varilla metlica y una
fuente de calor, determine perfiles de
temperatura en funcin de la distancia x.
A partir de la informacin tcnica de la
fuente, especifique y/o establezca el flujo
de calor constante que se transfiere a la
varilla. Tenga en cuenta la temperatura
ambiente.
Aplicando la ley de Fourier y la
informacin experimental Es posible
determinar la conductividad trmica del
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200
T (
C)
t (s)
Temperatura (C)Vs Tiempo (s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250
T (
C)
t (s)
Temperatura (C) Vs Tiempo (s)
Grfico 9/ Temperatura (C) Vs distancia (m)- Exp 2
Grfico 10/ Temperatura (C) Vs distancia (m)- Exp 3
Tabla 10/ Temperatura (C) Vs tiempo (s)
-
material? En caso de ser posible Cul es
el valor de k (W/m K) para el material de
la varilla? Compare sus resultados con los
reportes de la literatura y analice.
Solucin: Para hallar el valor de k se tiene
en cuenta la Tabla1, se pensaba realizar
varios ensayos y tomar los datos para
realizar un promedio, pero al notar que los
datos se alejaban entre ellos se consider
que era ms factible utilizar esa tabla
porque se realiz un poco ms limpia la
toma de estos. Entonces:
A partir de la Tabla 1, se obtienen las
derivadas numricas:
dT/dx k
-35 63.7065637
-112.5 19.8198198
-162.5 13.7214137
-192.5 11.5830116
-145 15.3774464
Luego, utilizando Excel para graficar la curva
k vs dT/dx, se obtuvo la siguiente ecuacin de
la curva = 2155.40,99 =
2155.4
0,99
Tomando la definicin de la derivada como el
incremento relativo, se tiene que:
=
, por lo tanto se aproxima a
Ty a x.
=
(329.8 316.2)
(0.12 0)= 113.33
Y finalmente se obtiene el valor de k al
reemplazarlo en la ecuacin de la curva:
= 2155.4
0,99
= 2155.4(113.33)0,99
= 19.12 /
Para este inciso de la tarea se requera
determinar perfiles de temperatura contra
distancia. Se utiliz una varilla de Acero
inoxidable de 15 cm de largo, y un rea
superficial de 0.0037 m2. Para esta
experimentacin se trat al mximo de tomar
las medidas para un mismo tiempo dado. Los
errores de medicin presentados pueden
deberse a la baja sensibilidad de los aparatos
de medicin. Se realizaron varias medidas
para determinar los perfiles de temperatura
pero solo se tom la primera experimentacin
para determinar la conductividad trmica
experimental.
La conductividad trmica del Acero
inoxidable es 15.1 W/m*K a 300K (Yunus
Cengel, Transferencia de calor 4ta edicin).
Los perfiles de temperatura satisfacen la
teora, ya que al aumentar la distancia (alejarse
del foco trmico) la temperatura disminuye. Si
se observa la grfica, se puede notar que las 4
presentan curvas similares de T contra x.
Se obtuvo experimentalmente que la
conductividad del material fue k=19.12
w/m*K, si comparamos con la conductividad
Tabla 11/ Derivadas numricas
y = 2155,4x-0,99
R = 0,9985
0
10
20
30
40
50
60
70
0 50 100 150 200 250
k (
W/
m K
)
dT/dx
k (W/m K)
Vs dT/dx (K/m)
Grfico 11/ Derivadas numricas
-
terica vemos que el valor es relativamente
cercano. Obteniendo un error cercano al 21%.
Esto se puede deber como se ha mencionado
antes a errores en la medicin debido a la poca
sensibilidad de los aparatos, pero como
resultado experimental no estricto podra ser
aceptable.
6.2 Experimento 2: Conveccin-
Forzada.
Utilizando una lmina metlica calentando lo
mximo posible y usando un flujo de agua a
temperatura ambiente, enfre la lmina hasta
alcanzar el estado estable. Realice mediciones
de la temperatura de la lmina en funcin del
tiempo. Repita el experimento para varias
velocidades de flujo de agua refrigerante.
Analice.
Solucin: Para realizar el montaje pertinente a
esta experiencia, tomamos una placa metlica
de dimensiones tales que ocupara un rea igual
o parecida a la plancha en la cual se llev a
cabo el calentamiento. A dicha pieza metlica
se le suministro calor hasta que alcanz una
temperatura mxima (160C), para despus
ser enfriada drsticamente a causa de un flujo
de agua, la cual se encontraba a una
temperatura de 28.3C, para propiciar una
disminucin de temperatura en la placa y
poder captar valores de la misma conforme
pasa el tiempo a un flujo volumtrico de agua
determinado.
Esta misma experiencia fue repetida en 3
ocasiones, variando el flujo volumtrico de
agua y mantenindose casi invariable en las
tres mediciones realizadas la temperatura del
agua destinada a propiciar el enfriamiento.
Adems, cabe resaltar que se tuvieron en
cuenta otras consideraciones para poder
obtener datos confiables de la experiencia, a
saber:
1. Teniendo en cuenta la forma cuadrada del material (8cm *
8cm): Al
momento de enfriarse se tom como
un rombo, con el fin de hacer incidir
el chorro de agua en la esquina
superior para poder propiciar un
enfriamiento uniforme de la superficie
metlica.
2. El ngulo formado entre la cada del flujo de agua y la
superficie metlica
no es igual a 90, es decir, se debi
inclinar de manera considerable la
placa para no permitir que cierta
cantidad de agua se acumulara en la
superficie y favorecer as un flujo
continuo de fluido refrigerante que
propicie un enfriamiento optimo del
material.
3. La lectura de la temperatura fue tomada en la parte posterior
de la
placa, justo en el mismo punto donde
se hizo incidir el chorro de agua,
debido a que de esta manera se puede
tomar lecturas confiables de la
temperatura del material sin que sean
afectadas por la temperatura que
posea el agua en la descarga del
fluido en el enfriamiento.
Figura 3- Muestra del punto de incidencia del
agua.
Figura 4- ngulo de la placa
Punto de incidencia
del agua
-
Agregando que se tomaron las tres
medidas de la placa a la misma altura.
4. Momentos previos al experimento se determin la temperatura
mxima a la
que la placa metlica podra llegar, y
se observ que cuando alcanzaba una
temperatura de 160C este valor se
mantena prolongadamente,
presentando variaciones pequeas en
un lapso de tiempo considerable.
5. El flujo volumtrico de agua fue determinado tomando el tiempo
que
tardaba dicho flujo en ocupar el
volumen de un litro, lo cual se llev a
cabo en un recipiente previamente
calibrado. Este paso se realizaba justo
antes de que se comenzara el proceso
de enfriamiento de la placa, y una vez
iniciado el flujo de agua, no se detena
hasta que la placa llegara a la
temperatura de equilibrio.
Es importante aclarar que la temperatura
mxima del metal y del agua ambiente se
mantuvieron constante (160C y 28.3C
respectivamente) dentro de los 3 ensayos del
experimento, lo que vario fue la velocidad del
flujo volumtrico de agua, conociendo que fue
con el fin de evaluar la dependencia de la
temperatura con respecto a la variacin de la
velocidad de flujo.
Antes que todo se debe resaltar que los tres
flujos utilizados no son lo suficientemente
grandes como se quisiera, puesto que la
diferencia entre uno y otro no es muy
considerable por lo cual podra comprenderse
una relacin entre datos de varios tipos de flujo
asociados a este fenmeno.
Intervalo de
tiempo (s)
(Flujo1) (Flujo2) (Flujo3)
[5,10] 16,00 19,00 17,00
[10,15] 11,00 16,00 13,10
[15,20] 9,00 12,00 11,70
[20,25] 8,00 9,00 8,40
[25,30] 7,00 7,00 7,50
[30,35] 4,00 6,00 6,60
[35,40] 3,00 5,40 5,60
[40,45] 3,00 4,50 4,10
[45,50] 3,50 4,10 3,70
[50,55] 3,20 3,00 3,10
[55,60] 2,50 2,90 2,70
[60,65] 2,50 2,30 2,40
[65,70] 2,00 1,90 2,10
[70,75] 2,00 1,50 1,70
[75,80] 2,00 1,40 1,40
[80,85] 2,00 1,20 1,70
Asumiendo que la conductividad trmica de la
placa metlica es constante en todos los
puntos, y que adems el calentamiento de la
misma se realiz de manera uniforme, es decir,
todos los puntos de la superficie metlica estn
a la temperatura mxima alcanzada (160C),
adems entrando un poco a la ley de
enfriamiento de Newton, se puede observar
como la mayor transferencia de calor se da al
comienzo de cada experiencia, cuando la
diferencia entre la temperatura de la placa y el
agua es considerablemente alta como para
propiciar un mayor intercambio de calor de la
superficie metlica cuando entra en contacto
con el fluido refrigerante.
Al comienzo es notable como la variacin en
la temperatura se vuelve muy notoria, esta
tendencia va disminuyendo conforme va
pasando el tiempo, tanto as que en los flujos 2
Sensor trmico
Figura 5- Sensor trmico para la
medida de la temperatura de la
placa
Tabla 12/ Variaciones decrecientes de la
temperatura .
-
y 3 (entre los cuales no hay una diferencia
considerable de velocidades de flujo)
comienza a ser visible una variacin de
temperatura mnima a partir de los 170 y 160
segundos respectivamente porque se
disminuye el flujo de calor del material al agua
debido a que el gradiente de temperatura se ha
vuelto pequeo en comparacin con el inicial.
Esta tendencia se mantiene conforme pasa el
tiempo, tanto as que despus de los 200
segundos la disminucin de la temperatura se
vuelve demasiado lenta y esto se debe a que la
temperatura del material en ese intervalo de
tiempo es muy cercana a la del agua.
Seguramente la temperatura seguir
disminuyendo, pero en intervalos de tiempo
ms grandes esta vez, debido a que el gradiente
de temperatura bajo no permite tasas altas de
transferencia de calor, por lo cual la placa
llegara a una temperatura de equilibrio
conforme el tiempo tienda a ser muy grande.
En los datos de diferencia de temperatura para
los tres flujos se observa como las
disminuciones ms altas de temperatura
aumentan conforme el flujo de agua se hace
ms grande. Pero al comparar las variaciones
de temperatura entre el flujo 2 y 3 observamos
una contradiccin, los 4 primeros valores de
gradiente trmico para el flujo 2 son mayores
que para el 3, esto se debe a que aunque
consideramos que la temperatura inicial de la
placa era constante en las tres experiencias
(160C), es muy difcil propiciar que esto
suceda en la realidad, por lo cual una
explicacin convincente seria que la
temperatura inicial de la placa para el flujo 3
era un poco mayor a la que se tom para el
segundo caso. Conociendo esto y mencionado
anteriormente, esta anomala solo se presenta
en los 4 primeros valores, pero desaparece
inmediatamente a partir del 5 valor, en donde
se observa como el flujo 3 presenta una mayor
tasa de intercambio de calor agua metal, que el
flujo 1 y 2 respectivamente, reflejado en la
notable disminucin de temperatura que se
observa en los resultados tabulados.
Para el flujo 1, el ms pequeo de los tres, se
observa las mismas caractersticas que en los
dos casos anteriores con la diferencia de que
las variaciones pequeas de temperatura se
encuentran en momentos diferentes de la
experiencia, alrededor de los 195 segundos
(0.0.1C) debido a que la transferencia de calor
es baja porque hay un flujo de agua bajo, por
lo cual tarda ms en llegar a los gradientes
bajos de temperatura, pero una vez llega las
variaciones de temperatura con respecto al
tiempo se vuelven muy similares a las de los
flujos 2 y 3.
No es casualidad que los tres experimentos
alcancen una temperatura de equilibrio
tardndose el mismo tiempo, puesto que
debido al bajo gradiente trmico llega un punto
en donde la variacin de temperatura de la
placa se hace mnimo, propiciando un
estancamiento en el proceso de enfriamiento,
y por ende, haciendo que flujos
considerablemente bajos como los que se
utilizaron, obtengan el mismo resultado en
tiempos iguales, fenmenos que posiblemente
no se presentara en presencia de velocidades
de descarga de agua mucho mayores.
Aunque demoren el mismo tiempo para llegar
a una temperatura comn final (29.2C-30C),
la velocidad transferencia de calor inicial es
mayor conforme aumenta el flujo volumtrico
de agua, como es visible en las grficas 5, 6 y
7, las pendientes aumentan conforme aumenta
el flujo volumtrico, es decir que la
transferencia de calor es ms eficiente en el
flujo 3 que en 2 y 1 justamente en el comienzo
en gran parte del experimento.
En cada grfica, se muestra la variacin
conforme pasa el tiempo, esto quiere decir que
solo en tiempos lo suficiente mente grandes y
superiores a 215 segundos, se alcanzar una
-
temperatura de equilibrio parecida a la del
agua, para fines prcticos solamente se tom
como referencia el tiempo final aquel en
donde se repetan ms de dos mediciones
iguales de temperatura.
Cabe resaltar que aunque se asumi constancia
en la temperatura del agua para los 3
experimentos, los tiempos de realizacin de
los experimentos (flujo1 y flujo3) tienen una
diferencia de aproximadamente 2 horas, por lo
cual se puede presentar una variacin pequea,
pero significativa de temperatura entre uno y
otro, lo cual compensa el hecho de que una
experiencia converja en un valor de
temperatura mayor (30C para el flujo 3 ) al
otro (29.2C para el flujo 1 ) alrededor de los
215 segundos.
Por razones como las mencionadas es
aconsejable realizar el anlisis para valores no
cercanos al inicio o final del experimento,
puesto que es aqu donde se podra considerar
un comportamiento adecuado de los principios
que afectan el intercambio de calor.
6.3 Experimento 3: Radiacin
1. Considere una taza de agua caliente a
90C y media taza de agua fra a 30C.
Realice mediciones experimentales a
condiciones de estabilidad para el
enfriamiento de agua a 90C hasta
llegar a temperatura ambiente
considerando los siguientes pasos.
a. Mezclando el agua caliente y el
agua fra al inicio.
b. Dejando el agua caliente enfriarse
sin adicionar el agua fra.
c. Dejando el agua caliente enfriarse
hasta 45C y luego adicionar el
agua fra.
Con ayuda de un cronmetro, se tom el
tiempo de cada una de las tres pruebas para
dejar en claro cul de los experimentos llega
ms rpido al estado estable. Se tuvo en cuenta
que en este caso la transferencia se da por
radiacin, es decir que al tomar la temperatura
(T) en el intervalo de tiempo (t) escogido, se
debe aislar por completo las tazas porque se
debe simular que est en el vaco
La medida del agua en los tres casos fue de
200mL, puesto que si se quiere comparar
deben tener las mismas medidas a las mismas
condiciones en los alrededores, pero como en
los tres casos la temperatura ambiente vari,
no se pudo hacer otra cosa si no comparar
como iba bajando la temperatura en cada uno
con respecto al tiempo.
Los tres experimentos se hacen en diferentes
das es por eso que su temperatura ambiente
varia, pero se garantiz que estuvieran
aislados y que las temperaturas a las cuales
eran mezcladas fueran las indicadas a las del
enunciado.
A partir de los datos obtenidos de cada
experimento, se pudo observar que el proceso
de enfriamiento que presento menor tiempo en
llegar a las condiciones finales, es aquel que
esta descrito en el punto c, como se puede
apreciar en los datos consignados en la tabla
10, con una duracin de 2 horas y 35 minutos,
de acuerdo con la ley de enfriamiento de
Newton, la taza de enfriamiento por radiacin,
conveccin y conduccin es proporcional a la
diferencia de temperaturas entre el objeto y sus
alrededores2, es decir, el tercer experimento se
deja enfriar hasta 45C y de ah se asume que
desde ese instante hay un tiempo cero al
momento de agregar el agua fra (30C) y
como el objeto para ese entonces est
alcanzando una temperatura de equilibrio, al
agregarle al agregarle 100mL de agua fra a
30C, el gradiente de temperatura disminuye
-
rpidamente debido a las condiciones finales a
las que se encuentra el envase en donde se
realiza el enfriamiento (Erlenmeyer) y a los
alrededores a este.
El segundo que menos se demor fue el del
inciso b, en este caso se calent el agua a 90C
y se dej enfriar sin agregarle nada. Este se
demor menos debido a que el agua cuando
est a temperaturas ms elevadas tiene
velocidades de transferencia de calor mayor,
es por esta razn igualmente que el inciso a se
demora ms en llegar al estado estable ( por el
cambio abrupto de temperatura que va en
decreciente) y por la misma razn el inciso c
se demora menos porque al principio su
temperatura era de 90C y luego cuando se
esper a que se enfriara a 45C se someti a un
cambio de temperatura muy drstica en donde
se hizo ms fcil y rpido llegar a la
temperatura de equilibrio, la cual era la misma
temperatura de los alrededores y del agua.
7. BIBLIOGRAFA
[1] "Transmisin Del Calor." Transmisin
Del Calor. N.p., n.d. Web. 08 Feb. 2013.
[2]
[3] "Transferencia De Calor." Heat Transfer.
N.p., n.d. Web. 08 Feb. 2013.
http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heatra.html
[4]"Definicin.de." Definicin.de.
N.p., n.d. Web. 08 Feb. 2013.
< http://definicion.de/radiacion/#ixzz2KWJN
64b8>
[5] "Tiempo De Enfriamiento Por
Radiacin." Radiative Cooling Time. N.p.,
n.d. Web. 08 Feb. 2013.<
http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbasees/thermo/cootime.html>
[6]
8. ANEXOS
Figura 7- Calentamiento de la placa-
punto 2 /Conveccin
Figura - 6 Medicin de la temperatura -
punto 1- Varilla/ Conduccin
-
Figura 8- Enfriamiento de la placa-
punto 2 /Conveccin
Figura 9- Medicin de la temperatura -
punto 3 /Radiacin
