Transferencia de Calor por Convección y Ley de Newton Grupo 2Integrantes: • Gabriela Medrano• Gabriela Taipe• Sara Timbila

Transferencia de Calor por Convección

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor. Se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos. Por ejemplo, al calentar agua en una cacerola: el agua en contacto con la base de la cacerola asciende, mientras que el agua de la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida).

Forzada

A través de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el fluido a través de una zona caliente y éste transporta el calor hacía la zona fría.

Natural

El propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacía la zona más fría donde cede su calor.

Ejemplo Práctico :Si enciendo un radiador y espero a que alcance una temperatura bastante alta, no tengo más que poner una mano encima (a una distancia prudencial) para ver que existe un flujo de aire por convección natural. El aire alrededor del radiador se calienta disminuyendo su densidad, por lo tanto, al pesar menos que el aire ambiente, fluye hacía arriba dando paso a un “aire de renovación” alrededor del radiador, reiniciando el proceso de forma cíclica.

Ley de enfriamiento de Newton

Autor de “Tabula calorum”, en la que enuncia su ley “La cantidad de calor transmitida por un cuerpo caliente al ambiente en el que se encuentra es proporcional al exceso de su temperatura respecto a la del ambiente, a la superficie de intercambio, al tiempo, y a un coeficiente de emisión”.

Isaac Newton (1643-1727)

Esta ley se aplica al enfriamiento o al calentamiento por convección de un cuerpo en contacto con un fluido.

Se centra en una de las temperatura de referencia bien definida del fluido y una temperatura también bien definida del cuerpo al calentar o enfriar, en vez de prestar atención al comportamiento detallado del sistema.

Esta ley es un análogo discreto de la ley de Fourier para la conducción térmica, la misma que afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo contrario).

La ley de enfriamiento de Newton establece, que la rapidez de cambio de temperatura de un cuerpo en cualquier tiempo t es proporcional a la diferencial de las temperaturas del cuerpo y del medio circundante en el tiempo t. Si consideramos a T como la temperatura del cuerpo en el tiempo t, Tm la temperatura del medio circundante y To la temperatura inicial del cuerpo (t=0).Como las variaciones de la temperatura puede ser que aumenta o disminuya. Por tanto de acuerdo a la ley de enfriamiento de Newton se expresa mediante la ecuación diferencial:

𝑑𝑇/( )=(T− ) 𝑑𝑡 𝑇𝑚=coeficiente de intercambio de calor S= es el área del cuerpo.T= temperatura del cuerpoTm= temperatura del medio ambiente

Si la temperatura T del cuerpo es mayor que la temperatura del medio ambiente Ta, el cuerpo pierde una cantidad de calor dQ en el intervalo de tiempo comprendido entre t y t+dt, disminuyendo su temperatura T en dT.

m= rV es la masa del cuerpo (r es la densidad y V es el volumen)c = calor específico.

La ecuación que nos da la variación de la temperatura T del cuerpo en función del tiempo es:

,o bien

dQ= -m*c dt

Un modelo de transferencia de calor q’’ por convección, llamado ley de enfriamiento de Newton, describe flujo como:

q’’ = hc (TS –

Donde :hc (=coeficiente convectivo de transferencia de calor o coeficiente pelicular, se expresa .TS= es la temperatura de la pared sólida que entrega calor =temperatura del fluido adyacente

El coeficiente hc es una función de las condiciones de flujo, las propiedades de transporte del fluido y la geometría de la pared.Se debe notar que puede haber cambios drásticos de hc aún cundo las propiedades del fluido se mantengan constantes.

El flujo de calor por convección:

• Es positivo (q’’ > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de área AS al fluido (TC > T∞)

• Es negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TC < T∞).

Cualquier estudio sobre convección se reduce al estudio de los medios por los cuales puede determinarse h, el cual depende de las características de la capa límite. En la tabla 6.2 se observan valores del coeficiente h.