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Transferencia de calor
Presentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University
LA TRANSFERNCIA DE CALOR se minimiza mediante múltiples capas de revestimiento beta. Este y otros materiales aisladores protegen la nave espacial de condiciones ambientales hostiles. (NASA)
Objetivos: Después de terminar esta unidad, deberá:
• Demostrar su comprensión de conducción, convección y radiación, y dar ejemplos.
• Resolver problemas de conductividad térmica con base en cantidad de calor, longitud de trayectoria, temperatura, área y tiempo.
• Resolver problemas que involucran la tasa de radiación y la emisividad de superficies.
Transferencia de calor por conducción
Conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.
Conducción Dirección
De caliente a frío.
Transferencia de calor por convección
Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.
ConvecciónEl fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección.
La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.
Transferencia de calor por radiación
Radiación
Sol
Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.
Atómico
¡No se requiere medio!
Tipos de transferencia de calor
Considere la operación de una cafetera común:
Piense en cómo se transfiere calor por:
¿Conducción?¿Convección?
¿Radiación?
Corriente calorífica
vapor hielo
( / )Q
H J s
La corriente calorífica H se define como la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t en la dirección de mayor temperatura a menor temperatura.
Unidades típicas son: J/s, cal/s y Btu/h
H = corriente calorífica (J/s)
A = área superficial (m2)Dt = diferencia de temperaturaL = grosor del material
Conductividad térmica
t1 t2
Dt = t2 - t1
La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.
QLk
A t
Q kA t
HL
Cms
JUnidades
Las unidades SI para conductividad
Caliente Frío QLk
A t
Para cobre: k = 385 J/s m C0 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 pequeñas de longitud L y área A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en fórmulas.
En unidades SI, por lo general mediciones pequeñas de longitud L y área A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en fórmulas.
Unidades antiguas de conductividad
Tomado literalmente, esto significa que, para una placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya área es 1 ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0, el calor se conducirá a la tasa de 5.6 Btu/h.
Dt = 1 F0
L = 1 in.
A=1 ft2
Q=1 Btu
= 1 th
Unidades antiguas, todavía activas, usan mediciones comunes para área en ft2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y cantidad de calor en Btu.
k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0
Conductividades térmicasA continuación se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades térmicas 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 térmica
Aluminio:
Comparación de corrientes caloríficas 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
Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto. La superficie interior está a 20 0C y la superficie exterior a 12 0C. ¿Cuántos joules de calor pasan a través de esta ventana en una hora? Suponga L = 1.5 cm y que k = 0.8 J/s m C0.
200C 120C
Dt = t2 - t1 = 8 C0
0.015 m
AQ = ¿?
t = 1 h
A = (2 m)(6 m) = 12 m2
; Q kA t kA t
H QL L
0 2 0(0.8 J/m s C )(12 m )(8 C )(3600 s)
0.0150 mQ
Q = 18.4 MJQ = 18.4 MJ
Ejemplo 2: La pared de una planta congeladora está compuesta de 8 cm de tablero de corcho y 12 cm de concreto sólido. La superficie interior está a -200C y la superficie exterior a +250C. ¿Cuál es la temperatura de la interfaz ti?
ti 250C-200C
HA
8 cm 12 cm
Flujo estacionar
io
Nota:
0 01 2
1 2
( 20 C) 25 C -
L Li ik t k t
0 01 2
1 2
( 20 C) (25 C - )
L Li ik t k t
concretocorcho AH
AH
Ejemplo 2 (Cont.): Encontrar la temperatura de interfaz para una pared compuesta.
ti 250C-200C
HA
8 cm 12 cm
Flujo estacionar
io
0 01 2
1 2
( 20 C) (25 C - )
L Li ik t k t
Al reordenar factores se obtiene:
0 01 2
2 1
L( 20 C) (25 C - )
L i i
kt t
k
01 2
02 1
L (0.04 W/m C )(0.12 m)0.075
L (0.8 W/m C )(0.08 m)
k
k
Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene:
ti 250C-200C
HA
8 cm 12 cm
Flujo estacionar
io
0 0(0.075)( 20 C) (25 C - )i it t
0.075ti + 1.50C = 250C - ti
De donde: ti = 21.90Cti = 21.90C
Conocer la temperatura de interfaz ti permite determinar la tasa de flujo de calor por unidad de área, H/A.
La cantidad H/A es igual para corcho o concreto:
H;
A
Q kA t k tH
L L
Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante.
ti 250C-200C
HA
8 cm 12 cm
Flujo estacionar
ioH
; A
Q kA t k tH
L L
H/A es constante en el tiempo, de modo que diferentes k producen diferentes Dt
Corcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0
Concreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0
Dado que H/A es el mismo, elija sólo concreto:
0 0H (0.8 W/mC )(3.1 C )
A 0.12 m
k t
L
2 20.7 W/m
H
A
Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante.
ti 250C-200C
HA
8 cm 12 cm
Flujo estacionar
io
Corcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0
Concreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0
2 20.7 W/mH
A
Note que 20.7 Joules de calor por segundo pasan a través de la pared compuesta. Sin embargo, el intervalo de temperatura entre las caras del corcho es 13.5 veces más grande que para las caras del concreto.
Si A = 10 m2, el flujo de calor en 1 h sería ______
Si A = 10 m2, el flujo de calor en 1 h sería ______745 kW
RadiaciónLa tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).
Q PR
A A Tasa de radiación
(W/m2):
Emisividad, e : 0 > e > 1Emisividad, e : 0 > e > 1
Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
4PR e T
A
Ejemplo 3: Una superficie esférica de 12 cm de radio se calienta a 627 0C. La emisividad es 0.12. ¿Qué potencia se radia?
2 24 4 (0.12 m)A R
A = 0.181 m2
T = 627 + 273; T = 900 K
4P e AT-8 4 2 4(0.12)(5.67 x 10 W/mK )(0.181 m )(900 K)P
P = 808 WP = 808 WPotencia radiada desde la
superficie:
A
6270C
Encuentre potencia radiada
Resumen: Transferencia de calor
Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.
Conducción: La energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.
Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.
Resumen de conductividad térmica
H = corriente calorífica (J/s)A = área superficial (m2)Dt = diferencia de temperaturaL = espesor del material
t1 t2
Dt = t2 - t1
La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.
QLk
A t
Q kA t
HL
Cms
JUnidades
Resumen de radiación
Rate of Radiation (W/m2):
La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).
Q PR
A A
Emisividad, e : 0 > e > 1Emisividad, e : 0 > e > 1
Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
4PR e T
A
R
Resumen de fórmulas
QLk
A t
Q kA t
HL
H;
A
Q kA t k tH
L L
Q PR
A A 4P
R e TA
4P e AT
CmsJ
Unidades
CONCLUSIÓN: Transferencia de calor
