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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXACTAS
Aula A:109
16 de julio de 2015
INTEGRANTES
JORGE ARBOLEDA
ANTHONY BELTRN
JIMMY CANSECO
EMILIO DVILA
ERICK IAGUAZO
KEVIN VACA
ANDRS RAMREZ
TEMA: PROPAGACIN DE CALOR
Resumen
En el presente documento, se detalla todos los factores que
intervienen en la propagacin de calor, cada
uno de sus elementos, as como las frmulas que se deben aplicar
para determinar los diferentes
parmetros que necesitemos en un anlisis correspondiente a este
tema. En este documento tambin se
hace nfasis en la propagacin de calor en una varilla y placa
rectangular debido a que stas son muy
usadas en el mbito de estudio.
Abstract
In this document , all the factors involved in the propagation
of heat, each of its elements and the
formulas to be applied to determine the different parameters
that need in this issue a corresponding
detailed analysis . In this paper emphasis it is also made on
the propagation of heat in a rod and
rectangular plate because they are widely used in the field of
study
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INTRODUCCCIN.
Qu es la energa? De ella sabemos, por
ejemplo, que puede fluir en diversas formas,
como la energa calrica, la energa elctrica y
el trabajo mecnico. Tambin, que se puede
almacenar en diversas formas tales como
energa de formacin en un resorte
comprimido, energa interna en un cuerpo
caliente y energa qumica en un combustible.
Adems, Eistein demostr a principios del siglo
XX que es interconvertible con la masa en si
misma; es decir que el mundo fsico entero es
una manifestacin de energa. Por ejemplo,
podramos decir que la energa calrica fluye
debido a la diferencia de temperatura o que
expresa la energa interna de un material en
trminos de la actividad de un tomo, pero sin
embargo esto no contesta la pregunta inicial.
La verdad es que en realidad desconocemos la
respuesta. La mayora de las materias
cientficas y tecnolgicas comienzan con una
aceptacin del concepto de energa y tratan las
diversas formas de energa y masa como
elemento fundamental del universo. Los
problemas que se refieren a la naturaleza
fundamental y la existencia de energa son ms
apropiados a los campos de la filosofa y
religin. La ciencia no puede dar razones de la
existencia de energa o la existencia del mundo
fsico. Nosotros mismo somos parte de este
universo fsico, parte de la energa que
deseamos entender y debido a esto ser
esencialmente imposible entender la existencia
de la energa. Sin embargo, esto no debe
desalentarnos en el estudio de las caractersticas
de diversas energas. El progreso realizado por
el hombre y que lo ha llevado a su estado
presente de civilizacin, ha sido gracias a que
ha recabado informacin acerca de ella.
MARCO TERICO
1.1 ANALISIS TRMICO
El anlisis trmico comprende un conjunto de
tcnicas que analizan el cambio de
comportamiento de una muestra, cuando est
siendo sometida a un proceso programado de
temperatura en atmsfera controlada:
calefaccin, enfriamiento o isotermas. El
objetivo es establecer una relacin entre la
temperatura y las propiedades fsicas del
material. El resultado de estas medidas son las
curvas de anlisis trmico y las caractersticas
de estas curvas (picos, discontinuidades,
cambios de pendiente) se relacionan con los
eventos trmicos de la muestra.
1.1.1 PRINCIPIOS DE LA
TCNICA
La tcnica de Anlisis Termogravimtrico, (del
acrnimo ingls TGA, Thermal Gravimetric
Analysis), mide la cantidad y rapidez del
cambio en peso de una muestra en funcin de la
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temperatura y/o del tiempo en una atmsfera
controlada. De manera general, permite realizar
medidas para determinar la composicin de los
materiales y predecir su estabilidad a
temperaturas de hasta 1 500 C. Esta tcnica
puede, por tanto, caracterizar materiales que
presentan prdida o ganancia de peso debido a
la descomposicin, oxidacin o deshidratacin.
Las tcnicas de Calormetra Diferencial de
Barrido (del acrnimo ingls DCS, Differential
Scanning Calorimetry) y Anlisis Trmico
Diferencial (del acrnimo ingls DTA,
Differential Thermal Analysis) miden la
diferencia de temperatura entre una muestra y
una referencia interna en funcin del tiempo y
de la temperatura. La diferencia de temperatura
observada se traduce en un flujo de calor. Esto
permite medir transiciones endotrmicas y
exotrmicas en funcin de dicha temperatura.
Ests tcnicas se utilizan en la caracterizacin
de polmeros y adhesivos, productos
farmacuticos, productos alimenticios y
biolgicos, cermicas, semiconductores y
materiales orgnicos, inorgnicos, metlicos y
compuestos.
1.1.2 ANLISIS POR TGA:
Estabilidad trmica de materiales.
Composicin de un sistema multicomponente.
Estudio de vida media de diversos productos.
Estudio de descomposicin cintica.
Efecto de atmsferas reactivas y/o corrosivas en
distintos materiales (estabilidad frente a
oxidacin, etc).
Contenido de humedad y/o voltiles.
Estudios de adsorcin/desorcin
1.1.3 ANLISIS POR DSC/DTA:
Deteccin de transiciones vtreas.
Medida de temperaturas de fusin.
Medida de temperaturas de cristalizacin.
Deteccin del punto de curado.
Estudios de polimorfismo.
Medidas de capacidades calorficas.
Inconvenientes: Es una fuente energtica
intermitente, ya que depende del clima y del
nmero de horas de Sol al ao. Adems, su
rendimiento energtico es bastante bajo.
1.2 TRANSFERENCIA DE
CALOR
Es el proceso por el que se intercambia energa
en forma de calor entre distintos cuerpos, o
entre diferentes partes de un mismo cuerpo que
estn a distinta temperatura. El calor se
transfiere mediante conveccin, radiacin o
conduccin. Aunque estos tres procesos pueden
tener lugar simultneamente, puede ocurrir que
uno de los mecanismos predomine sobre los
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otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a
travs de la pared de una casa
fundamentalmente por conduccin, el agua de
una cacerola situada sobre un quemador de gas
se calienta en gran medida por conveccin, y la
Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente
por radiacin.
1.2.1 CONDUCCIN
La conduccin es la transferencia de calor, por
medio de la excitacin molecular en el interior
del material, sin ningn tipo de movimiento
entre los objetos. Si un extremo de una barra de
metal est a una temperatura ms alta, entonces
se transferir energa hacia el extremo ms fro,
debido a las colisiones de partculas de alta
velocidad con las ms lentas, producindose
una transferencia neta de energa hacia estas
ltimas. En una transferencia entre dos
superficies planas, como la prdida de calor a
travs de las paredes de una casa, la tasa de
transferencia de calor por conduccin es:
1.2.2 CLCULO
1.2.3 RADIACIN
Se conoce como radiacin a la transferencia de
calor por medio de ondas electromagnticas, las
mismas que son enviadas por un objeto emisor
hacia el exterior y en todas las direcciones.
La radiacin se hace ya que el objeto emisor
irradia calor hasta que esta tenga una
temperatura semejante al ambiente o a los
objetos que lo rodeen; la formula que gobierna
que gobierna la radiacin de los objetos
calientes se llama la ley de Stefan-Boltzmann
P: Potencia radiada neta
A: rea de radiacin
e: emisividad (1 para radiador ideal)
: constante de Stefan
T: Temperatura del radiador
T: Temperatura de los alrededores
1.2.4 CONVECCIN
Se la conoce as porque es la forma de
transferencia de calor de calor que se produce
por medio de un fluido (lquido o gas) que
transportan el calor entre zonas de diferentes
temperaturas.
La conveccin solamente se produce entre
fluidos, en pocas palabras la conveccin es el
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transporte del calor por medio de movimientos
del fluido. Como podemos encontrar en la
cocina cuando ponemos agua a calentar en un
recipiente, el agua caliente de la parte de abajo
se mueve hacia arriba mientras que el agua fra
de encima desciende hasta donde estaba el agua
caliente.
La transferencia de calor implica el transporte
de calor en un volumen de un gas o un lquido.
Se incluye tambin el intercambio de energa
entre una superficie slida y un fluido o por
medio de una bomba, un ventilador u otro
dispositivo mecnico.
Existe una transferencia de calor libre o natural
un fluido es ms caliente o ms fro y en
contacto con una superficie slida, causa una
circulacin debido a las diferencias de
densidades que resultan de las diferencias de
temperaturas en el fluido.
La transferencia de calor por conveccin se
expresa con la Ley del Enfriamiento de
Newton:
h: es el coeficiente de conveccin.
As: es el rea del cuerpo en contacto con el
fluido.
Ts: es la temperatura en la superficie del
cuerpo.
Tinf: es la temperatura del fluido lejos del
cuerpo.
1.2.5 COMPORTAMIENTO DE
LA TRANSFERENCIA DE
CALOR POR
CONVECCION
Cuando un fluido gana calor sus molculas se
mueven rpidamente por lo que su densidad
disminuye y hace que ascienda y la parte de
arriba como esta fra tiene mas densidad
entonces descender ya que sus molculas se
mueven lento.
La transferencia trmica convectiva consiste en
el contacto del fluido con una temperatura
inicial con otro elemento o material con una
temperatura diferente, en funcin de la
variacin de las temperaturas van a variar las
cargas energticas moleculares del fluido y los
elementos interactuantes del sistema realizarn
un trabajo, donde el que tiene mayor energa o
temperatura se la ceder al que tiene menos
temperatura. Esta transferencia trmica se
realizar hasta que los dos tengan igual
temperatura, mientras se realiza el proceso las
molculas con menor densidad tendern a subir
y las de mayor densidad bajarn de nivel. Las
molculas que se encuentran en las capas
inferiores aumentan su temperatura.
1.3 PROPAGACIN DEL CALOR
EN VARILLAS, PLACAS,
METALES EN GENERAL.
El aire por conveccin origina los vientos.
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Si se coloca una espiral de cartulina, en un
soporte universal y se sopla desde abajo hacia
arriba se puede apreciar cmo esta comienza a
girar alrededor del punto donde se apoya.
Tambin si se coloca una vela encendida o
cualquier otra fuente de calor debajo del espiral,
esta gira porque el aire que se calienta, asciende
y esto se demuestra porque se pone en
movimiento la espiral, igual que cuando se
soplaba desde abajo hacia arriba. Por tanto, se
producen corrientes de aire caliente que suben y
de aire fro que baja.
1.4 RADIACIN
La radiacin es la propagacin del calor que
tiene lugar sin el apoyo del ningn medio
material.
Ejemplos:
Los radiadores
Las aguas del mar reciben la radiacin del sol
por eso logran evaporarse.
Los panaderos, cuando van a sacar el pan del
horno, estn recibiendo el calor procedente de
este, por radiacin.
Los obreros metalrgicos reciben mucho calor
procedente de los altos hornos en que se funden
los metales y ese calor les llega por radiacin.
En sus hogares, cuando mam est cocinando,
recibe por radiacin el calor procedente de la
cocina, puesto que no est situada encima de la
fuente de calor, ni en contacto directo con ella,
sino delante de las hornillas.
1.5 CALOR
La fsica entiende el calor como la energa que
se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo
a otro, una transferencia vinculada al
movimiento de molculas, tomos y otras
partculas.
El calor puede generarse a partir de
una reaccin qumica (como la combustin),
una reaccin nuclear (como aquellas que se
desarrollan dentro del Sol) o una disipacin (ya
sea mecnica, friccin, o electromagntica,
microondas).
Es importante tener en cuenta que los cuerpos
no tienen calor, sino energa interna. Cuando
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una parte de esta energa se transfiere de un
sistema o cuerpo hacia otro que se halla a
distinta temperatura, se habla de calor. El
traspaso de calor se producir hasta que los dos
sistemas se siten a idntica temperatura y se
alcance el denominado equilibrio trmico,
Este flujo de energa siempre ocurre desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de
menor temperatura,
La cantidad de energa trmica que se traspasa
se calcula y se expresa en caloras. Esta unidad
de medida (no oficial) refleja la cantidad
energtica requerida para elevar, de 14,5 a
15,5 celsius, la temperatura de un gramo de
H2O (agua). En el Sistema Internacional de
Unidades, la unidad de energa se conoce
como joule. Una calora resulta equivalente a
4,184 joules.
El Calor es la transferencia de energa entre un
cuerpo material y otro a travs de interacciones
trmicas.
La energa calrica o trmica puede ser
transferida por diferentes mecanismos de
transferencia, estos son la radiacin, la
conduccin y la conveccin, aunque en la
mayora de los procesos reales todos se
encuentran presentes en mayor o menor grado.
Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor,
sino energa trmica.
1.6 TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud fsica que
refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo,
de un objeto o del ambiente. Dicha magnitud
est vinculada a la nocin de fro (menor
temperatura) y caliente (mayor temperatura).
La temperatura est relacionada con la energa
interior de los sistemas termodinmicos, de
acuerdo al movimiento de sus partculas, y
cuantifica la actividad de las molculas de
la materia: a mayor energa sensible, ms
temperatura.
El estado, la solubilidad de la materia y
el volumen, entre otras cuestiones, dependen de
la temperatura.
Se define como una magnitud escalar
relacionada con la energa interna de un sistema
termodinmico, definida por el principio cero
de la termodinmica. Ms especficamente, est
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relacionada directamente con la parte de la
energa interna conocida como energa
cintica, que es la energa asociada a los
movimientos de las partculas del sistema, sea
en un sentido traslacional, rotacional, o en
forma de vibraciones. A medida de que sea
mayor la energa cintica de un sistema, se
observa que ste se encuentra ms caliente;
es decir, que su temperatura es mayor.
a unidad de temperatura es el kelvin (K), y la
escala correspondiente es la escala Kelvin o
escala absoluta, que asocia el valor cero
kelvin (0 K) al cero absoluto, y se grada
con un tamao de grado igual al del grado
Celsius. Sin embargo, fuera del mbito
cientfico el uso de otras escalas de temperatura
es comn. La escala ms extendida es la
escala Celsius, llamada centgrada; y, en
mucha menor medida, y prcticamente solo en
los Estados Unidos, la escala Fahrenheit.
1.7 CONDUCCION DE CALOR
La conduccin de calor o transmisin de calor
por conduccin es un proceso de transmisin de
calor basado en el contacto directo entre los
cuerpos, sin intercambio de materia, por el que
el calor fluye desde un cuerpo de
mayor temperatura a otro de menor temperatura
que est en contacto con el primero.
La propiedad fsica de los materiales que
determina su capacidad para conducir
el calor es la conductividad trmica. La
propiedad inversa de la conductividad trmica
es la resistividad trmica, que es la capacidad
de los materiales para oponerse al paso del
calor.
La transmisin de calor por conduccin, entre
dos cuerpos o entre diferentes partes de un
cuerpo, es el intercambio de energa interna,
que es una combinacin de la energa
cintica y energa potencial de sus partculas
microscpicas: molculas, tomos y electrones.
La conductividad trmica de la materia depende
de su estructura microscpica: en un fluido se
debe principalmente a colisiones aleatorias de
las molculas; en un slido depende del
intercambio de electrones libres
(principalmente en metales) o de los modos de
vibracin de sus partculas microscpicas
(dominante en los materiales no metlicos).
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2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO
2.1 RESUMEN TEORICO:
La conveccin es una de las tres formas de
transferencia de calor y se caracteriza porque se
produce por intermedio de un fluido(lquido o
gas) que transporta el calor entre zonas con
diferentes temperaturas. La conveccin se
produce nicamente por medio de materiales
fluidos.
Se llama conveccin en s, al transporte de
calor por medio del movimiento del fluido, por
ejemplo: al trasegar el fluido por medio de
bombas o al calentar agua en una cacerola, la
que est en contacto con la parte de abajo de la
cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el
agua que est en la superficie, desciende,
ocupando el lugar que dej la caliente.- La
conveccin se clasifica en natural y forzada. En
la conveccin forzada se obliga al fluido a fluir
mediante medios externos, como un ventilador
o una bomba. En la conveccin natural el
movimiento del fluido es debido a causas
naturales, como el efecto de flotacin, el cual se
manifiesta con la subida del fluido caliente y el
descenso del fluido frio.- La conveccin
forzada se clasifica a su vez en externa e interna
dependiendo de si el flujo de fluido es interno o
externo. El flujo de un fluido no limitado por
una superficie (placa, alambre, exterior de un
tubo) es flujo externo. El flujo por un tubo o
ducto es flujo interno si ese fluido est limitado
por completo por superficies slidas. Elflujo de
lquidos en un tubo se conoce como flujo en
canal abierto si ese tubo est parcialmente lleno
con el lquido y se tiene una superficie libre.
La transferencia de calor implica el transporte
de calor en un volumen y la mezcla
deelementos macroscpicos de porciones
calientes y fras de un gas o un lquido. Se
incluye tambin el intercambio de energa entre
una superficie slida y un fluido o por medio
de una bomba, un ventilador u otro dispositivo
mecnico (conveccin mecnica, forzada o
-
asistida).En la transferencia de calor libre o
natural un fluido es ms caliente o ms fro y en
contacto con una superficie slida, causa una
circulacin debido a las diferencias de
densidades que resultan del gradiente de
temperaturas en el fluido. La transferencia de
calor por conveccin se expresa con la Ley del
Enfriamiento de Newton:
Donde es el coeficiente de conveccin (o
coeficiente de pelcula), es el rea del
cuerpo en contacto con el fluido, es la
temperatura en la superficie del cuerpo y es
la temperatura del fluido lejos del cuerpo. La
velocidad de transferencia de calor a travs de
un fluido es mucho mayor por conveccin que
por conduccin. Cuanto mayor es la velocidad
del fluido mayor es la velocidad de
transferencia de calor.
Caractersticas Generales: Equipo Secador de
Bandejas o Anaqueles
Tipo de operacin (Secado) Operacin
discontinua por contacto directo Tipo de
calentamiento Conveccin forzada Nmeros de
zonas de control 1 Tipo de control Lazo cerrado
Voltaje de operacin 220 VAC Temperatura de
operacin Temperatura Ambiente Presin de
operacin 760 mmHg.
2.2 MATERIALES:
4 lminas de distintos metales
(5cmx5cm).
Mufla.
Pinzas
Secador.
2.3 PROCEDIMIENTO:
Repetir el proceso cada periodo de tiempo (10 s)
para cada lmina y observar la alteracin de
temperatura.
Tomar las medidas correspondientes a cada una de las lminas
utilizadas (largo, ancho).
Calentar las lminas
Con ayuda de las pinzas, ubicar delicadamente la lmina sobre el
soporte universal.
Medir la temperatura interna de la lmina seleccionada a medida
que esta estaba siendo afectada por el secador.
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2.4 MEDIDAS DE LAS PLACAS
UTILIZADAS EN EL
LABORATORIO
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RESULTADOS:
Tabla nmero 1: placa 1
Tiempo (s)
Temperatura Interna ( C)
30 210
40 165
50 151
60 131
70 113
80 101
90 90
100 79
110 72
120 66
130 60
140 49
150 42
160 39
170 37
180 35
190 34
200 32
210 30
Tabla nmero 3: placa 3
Tiempo (s)
Temperatura Interna ( C)
0 170
10 123
20 90
30 72
40 54
50 46
60 37
70 33
80 29
Tabla nmero 2: placa 2
Tiempo (s)
Temperatura Interna ( C)
0 270
10 170
20 140
30 129
40 98
50 87
60 71
70 61
80 49
90 46
100 40
10 37
120 33
130 31
140 30
Tabla nmero 4: placa 4
Tiempo (s)
Temperatura
Interna ( C)
10 230
20 175
30 150
40 125
50 103
60 90
70 78
80 69
90 60
100 50
110 45
120 41
130 38
140 34
150 32
160 30
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2.5 CALCULOS:
rea 1:
rea 2:
rea 3:
rea 4:
2.6 GRFICOS:
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2.7 ANLISIS DE RESULTADOS:
Se puede reconocer defectos al momento de las
mediciones, como la falla al medir el tiempo
correctamente o la temperatura, tambin se
encuentran errores al momento de sacar la placa
de la mufla y transportarla hacia el soporte
universal ya que se deja que la placa absorba
temperatura ambiente antes de iniciar el
proceso de medicin.
En las grficas se puede observar que a medida
que el tiempo avanza se nota que la temperatura
disminuye lo cual indica que la temperatura
depende del tiempo y se identifica que son
medidas inversamente proporcionales entre
ellas.
2.8 CONCLUSIONES:
Analizamos que la energa se transfiere
en forma de calor entre distintos cuerpos
o en las diferentes partes de un mismo
cuerpo que estn a distinta temperatura,
es decir siempre de un cuerpo caliente a
un cuerpo fro de manera espontnea
mientras que si se produce de manera
contraria lo realiza por la accin de
fuerzas externas.
Reconocimos que la transferencia de
calor es importante ya que es algo
cotidiano que vivimos a diario en el
trascurso de nuestras vidas como
cuando se quiere enfriar un alimento, o
calentarlo que depronto para muchas
personas parece ser insignificante, pero
siempre se produce transferencia de
calor por msmnima que esta fuera.
3 MTODO EXPERIMENTAL
La aplicacin de la propagacin de calor es
muy variada e importante por ejemplo en las
industrias se utilizan desecadores que trabajan
con aire caliente para extraer la humedad de
algunos materiales.
La propagacin de calor est presenta en
actividades cotidianas como el famoso bao
mara que se utiliza para calentar objetos de
forma lenta aprovechando el calor latente del
agua, cuando se hace una parrillada realmente
lo que cocina los alimentos es el aire caliente,
cuando fremos un alimento utilizamos el aceite
como medio conductor de calor, entre otras.
Cuando se produce una transferencia de Calor,
se intercambia energa en forma de calor entre
distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un
mismo cuerpo que estn a distinta temperatura.
No confundir calor con temperatura: calor es la
energa que poseen los cuerpos y temperatura
es la medicin de dicha energa. El calor puede
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transmitirse por radiacin, propagarse por
conduccin o desplazarse por conveccin. El
calor se puede transferir mediante conveccin,
radiacin o conduccin. Aunque estos tres
procesos pueden ocurrir al mismo tiempo,
puede suceder que uno de los mecanismos
predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el
calor se trasmite a travs de la pared de una
casa fundamentalmente por conduccin, el agua
de una cacerola situada sobre un quemador de
gas se calienta en gran medida por conveccin,
y la Tierra recibe calor del Sol casi
exclusivamente por radiacin
BIBLIOGRAFA:
http://escritorioalumnos.educ.ar/datos/c
onveccion.html
http://www.educaplus.org/play-320-
Transmisi%C3%B3n-del-calor-por-
conveccion.html
