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TERMODINMICA
Transmisin del
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Transmisin del calor
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TERMODINMICA
Transmisin del calor ~ Introduccin
De acuerdo al 2principio el calor pasa de una fuente de mayor
temperatura a una de menor temperatura y no as en el sentido
inverso.
Transferencia de calor es un proceso por el que se intercambia
energa en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre
diferentes
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Formas: Conduccin
Conveccion
Radiacion
energa en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre
diferentes partes de un mismo cuerpo que estn a distinta
temperatura
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TERMODINMICA
Transmisin del calor ~ Conduccin No hay desplazamientos
relativos de las partculas
Es caracterstica de los slidosSe produce por intercambios de
energa cintica molecular
A partir de B se propaga el calor y da
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A partir de B se propaga el calor y da como resultado isotermas.
La temperatura en el cuerpo es funcin de la posicin y del
tiempo
Las lneas de flujo de calor son perpendiculares a las
isotermas
La transferencia de calor es normal a las isotermas.
Cuerpo istropo: transmite el calor de la misma forma en todas
direcciones.
dqt no puede existir, por ser necesaria una fuerza impulsora
tpara que haya transferencia,
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
Ley de Fourier
dxdTdS
ddQ
..=
d: diferencial de tiempodT/dx: es el gradiente trmicodS:
Diferencial Superficie de transferencia: coeficiente de
conductibilidad trmica
Geometra planaHiptesis
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Hiptesis Rgimen estacionarioPared planaCuerpo istropo
trmicamente : constante
e
ttSq ).(. 12 = Fourier de ecuacin la Integrando
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La conductividad trmicaLa conductividad trmica es una propiedad
intrnseca de los materiales.El valor de la conductividad vara en
funcin de la temperatura a la que se encuentra la substancia.Es
elevado en los metales y bajo en los gases
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
El coeficiente es una propiedad de los cuerpos y, por lo tanto,
funcin de su estado fsico, siendo mayor en general, para slidos que
para lquidos o gases.Para cada cuerpo es funcin de variables tales
como temperatura,
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Para cada cuerpo es funcin de variables tales como temperatura,
estructura, peso especfico aparente, contenido de humedad en los
materiales higroscpicos, composicin, edad (en los que varan sus
propiedades con el tiempo) etc.DefinicinPuede definirse como el
flujo de calor por unidad de gradiente de temperaturas en direccin
normal a la superficie de transferencia dS, mide la aptitud de un
cuerpo para permitir el pasaje de calor a travs de l.
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
Analoga con la ley de OHM
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
Ley de Fourier: tubos cilndricos
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Considerando a t1 como la temperatura interior, si (t1-t2) es
positivo, hay flujo de calor desde el interior hacia fuera, si la
diferencia es negativa, el flujo es de afuera hacia adentro.
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Paredes compuestas
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
Considerando a q la cantidad de calor transmitida por unidad de
tiempo y de superficie.
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Ejemplo 1Calcular la cantidad de calor que transmite la pared de
un horno, estimando la cantidad de calor interior a 600 C, y la
exterior a 200 C, siendo su espesor de 230 mm. La pared es de
refractario slico aluminoso. (Segn Tabla 1 el coeficiente para ese
refractario entre 200 y 600 C es : = 0,93 kCal/mhC)
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conduccin
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Ejemplo 2Calcular la prdida de calor por metro de longitud en un
tubo de 150 mm con un espesor de aislacin de 25 mm de magnesia al
85%, siendo la temperatura exterior 20C y la interior 120C. (El
coeficiente de conduccin de Tabla 1 es: = 0,060 kCal/mhC)
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
Existe un medio material fluido a travs del cual se propaga el
calor La densidad del medio vara con la temperatura y la gravedad
juega un rol importante, sin ella no hay conveccin. El calor se
transmite con transporte de materia
La transmisin de calor por conveccin se realiza entre slidos y
fluidos
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ClasificacinConveccin Natural: El movimiento se produce por la
diferencia de densidad del fluidoConveccin Forzada: Se produce por
impulsin mecnica: bombas, ventiladores, etc.
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Una pequea capa de fluido permanece estacionaria, adherida a la
pared.La transmisin de calor a travs de ella se produce
principalmente por conduccin. Ms all de esa capa el fluido se mueve
libremente .
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
Capa limite
Entre un slido y un fluido la transmisin de
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Entre un slido y un fluido la transmisin de calor por conveccin,
es proporcional a la diferencia de temperaturas, a la superficie
considerada y a un coeficiente propio de las condiciones en que se
opere la transferencia.
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Transmisin a travs de las paredes ~
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
Conveccin y conduccin
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Para paredes metlicas fias
== )()( 4211 ttttq pp Temperatura de la pared
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
Diferencia media logartmica de temperaturasTratndose de
intercambiadores de calor o similares, es necesario
establecer la diferencia media de temperaturas entre los fluidos
que se calientan, enfran, condensan o evaporan
La disposicin de circulacin de los fluidos puede ser en
contracorriente o en corrientes paralelas o tambin puede ser el
caso intermedio en que el fluido se condensa o se evapora.
La frmula para determinar la diferencia media de temperaturas,
se
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La frmula para determinar la diferencia media de temperaturas,
se resuelve a travs de la siguiente expresin:
tm =
2
1
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log.3,2tt
ttdonde:tm (C) es la diferencia de temperatura media
logartmica.t1(C) es la diferencia de temperatura inicialt2(C) es la
diferencia de temperatura final.
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
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Determinacin del Coeficiente de conveccin
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
El coeficiente (kCal / m2 h C) vara muchsimo desde pocas
unidades para la conveccin natural hasta valores superiores a
40.000 kCal / m2 h C para el caso de algunos lquidos en ebullicin
fuertemente agitadosDepende de una cantidad de magnitudesSi el
fluido recibe o cede calor, De su estado, De la forma y posicin de
la superficie de intercambio, De la rugosidad de la tubera
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De la rugosidad de la tubera Del tipo de escurrimiento, Si el
rgimen es natural, forzado, laminar o turbulento.El tamao del
tuboSi el fluido se considera o no que est dentro del tubo.
ConclusinCon tantas variables el estudio puramente analtico es
imposible.Es por lo tanto absolutamente necesario, elegir
adecuadamente el coeficiente a fin de obtener resultados
satisfactorios.
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El anlisis dimensional es un mtodo para verificar ecuaciones y
planificar experimentos sistemticos. A partir del anlisis
dimensional se obtienen una serie de grupos adimensionales, que van
a permitir utilizar los resultados experimentales en que se tengan
diferentes dimensiones geomtricas, cinemticas y dinmicas.
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
La importancia del anlisis dimensional viene dada por la
dificultad del establecimiento de ecuaciones, adems de la
dificultad de su resolucin.
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establecimiento de ecuaciones, adems de la dificultad de su
resolucin.
Es importante considerar que si en un experimento en un modelo
(a escala geomtrica del prototipo), se pueden obtener las escalas
cinemticas (relaciones de velocidades) y las escalas dinmicas
(relaciones de fuerzas), los resultados adimensionales que se
obtienen para el modelo son tambin vlidos para el prototipo.
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Aplicaciones del anlisis dimensional ~ Conveccin Natural
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
Aplicaciones del anlisis dimensional ~ Conveccin Forzada
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Grfico 1: Determinacin del coeficiente de conveccin natural de
aire o gases sobre superficies planas dentro o fuera de tubos en
posicin vertical.Grfico 2: Determinacin del coeficiente de
conveccin forzada de aire o gases circulando dentro de tubos.Grfico
3: Determinacin del coeficiente de conveccin forzada de aire o
gases circulando fuera de haces de tubos con direccin perpendicular
a ellos, tubos alineados.Grfico 4: Determinacin del coeficiente de
conveccin forzada de aire o gases circulando fuera de haces de
tubos con direccin perpendicular a
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
Determinacin del Coeficiente de conveccin grficamente
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gases circulando fuera de haces de tubos con direccin
perpendicular a ellos, tubos en tresbolillos.Grfico 5: Determinacin
del coeficiente de conveccin forzada de vapor sobrecalentado
circulando dentro de tubos.Grfico 6: Determinacin del coeficiente
de conveccin forzada de agua circulando dentro de tubos.Grfico 7:
Determinacin del coeficiente de conveccin natural de agua hirviendo
circulando sobre placas planas en cualquier posicin.Grfico 8:
Determinacin del coeficiente de conveccin natural de vapores
condensndose circulando sobre tubos horizontales.Grfico 9:
Determinacin del coeficiente de conveccin forzada de petrleo
circulando dentro o fuera de tubos con el flujo paralelo a
ellos.
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Conveccin
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Radiacin
La radiacin es la energa emitida por la materia en forma de
ondas electromagnticas .Todos los cuerpos a una temperatura por
encima del cero absoluto emiten radiacin trmica.A diferencia de la
conduccin y la conveccin, la radiacin no necesita un medio de
transmisin y puede ocurrir en el vaco.La energa radiante se origina
dentro de las molculas del cuerpo radiante, los tomos de cuyas
molculas vibran en un movimiento armnico simple como osciladores
lineales.
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simple como osciladores lineales.La emisin de energa radiante
representa una disminucin en las amplitudes de vibraciones dentro
de las molculas, mientras que una absorcin de energa representa un
aumento
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Absorcin, reflexin y transmisin
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Radiacin
a + r + t = 1
Slidos: con los que nos encontramos en ingeniera, son opacos a
la radiacin trmica, lo que equivale a decir que su poder
transmisivo es nulo. Por lo tanto para
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transmisivo es nulo. Por lo tanto para el caso de cuerpos opacos
tenemos: a+ r = 1Gases: suelen presentar valores muy altos de t, y
por lo tanto muy bajos de a y r.
Para el Cuerpo terico negro a = 1, las superficies pintadas de
este color, suelen presentar poderes absorbentes muy altos.
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El sol y la radiacin
TERMODINMICATransmisin del calor ~ Radiacin
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Infrarrojo. Visible. Esta regin esta formada por las frecuencias
a las cuales es sensible nuestra retina. Las diferentes sensaciones
que la luz produce en el ojo, y que se llaman colores, dependen de
la frecuencia de la onda electromagntica.Ultravioleta. Estas
regiones del espectro son de sobremanera atractivas para nuestro
estudio, pues entre ellas se distribuye la energa emitida por el
Sol.
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Radiacin
DefinicionesEnerga Radiante: La cantidad de energa irradiada por
unidad de tiempo y de superficie, depende de la temperatura y de la
longitud de onda. (es el rea bajo la curva)
=f (, t)Poder emisivo : La cantidad de energa emitida por unidad
de tiempo, de superficie y de longitud de onda.
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de superficie y de longitud de onda. =(E/ )
Ley de Planck : Introduce la teora de los cuantos y desarroll la
ecuacin que representa la figura.Ley de Wien : A medida que la
temperatura disminuye el mximo poder emisivo tambin lo hace y se
produce a mayor longitud de onda, se conoce como ley de
desplazamientoLey de Kirchhoff: El uso de la razn de la potencia
emisiva real a la potencia emisiva del cuerpo negro, bajo idnticas
condiciones, se llama emisividad ()
),(5 TfTEn =
negrocuerpoEoconsideradcuerpoE
e =
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TERMODINMICATransmisin del calor ~ Radiacin
Ley de Stephan y Boltzmann
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