INSTITUTO TECNOLOGICO DE MEXICALI

INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL

LABORATORIO INTEGRAL I

REPORTE

PRACTICA:

“DETERMINACIÓN DE PERFILES DE TEMPERATURA”

Alumnas:

María Guadalupe Rangel González

García Fabián Claudia Yesenia

Profesor:

NORMAN EDILBERTO RIVERA PAZOS

Índice.1. OBJETIVOS:..............................................................................................................................................3

2. FUNDAMENTO TEORICO:.........................................................................................................................3

-FENOMENO FISICO SIMPLIFICADO:........................................................................................................5

-HIPOTESIS:..............................................................................................................................................6

-MODELO MATEMATICO:........................................................................................................................6

4. DISEÑO DE LA PRÁCTICA..........................................................................................................................6

-HOJA DE DATOS......................................................................................................................................7

-EQUIPO Y MATERIALES:..........................................................................................................................7

-DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:..............................................................................................................8

5. REALIZACION DE LA PRÁCTICA.................................................................................................................9

-Mediciones:............................................................................................................................................9

-OBSERVACIONES:.................................................................................................................................10

6. ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS:.....................................................................................................10

-Cálculos................................................................................................................................................10

-Graficas................................................................................................................................................12

7. DISCUSION Y CONCLUSIONES:...............................................................................................................12

8. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES:..................................................................................................13

9. REFERENCIAS.........................................................................................................................................13

1. OBJETIVOS:

- Determinar experimentalmente los perfiles de temperatura en hierro y aluminio.

- obtener de manera experimental la conductividad térmica de diversos metales, en este caso,

bronce.

2. FUNDAMENTO TEORICO:

Transferencia de calor , en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor

entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta

temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos

tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos

predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una

casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador

de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi

exclusivamente por radiación.

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de

conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una

sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a

substancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la

conductividad térmica se mide en W/ (K · m). También se lo expresa en cal/(s· °K· cm)

La inversa de la conductividad térmica es la resistencia térmica, que es la capacidad de los

materiales para oponerse al paso del calor.

Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta,

incrementándose su movimiento. La conducción de calor que a nivel macroscópico puede

modelizarse mediante la ley de Fourier, a nivel molecular se debe a la interacción entre las

moléculas que intercambian energía cinética sin producir movimientos globales de materia. Por

tanto la conducción térmica difiere de la convección térmica en el hecho de que en la primera

no existen movimientos macroscópicos de materia, que si ocurren en el segundo mecanismo.

Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor mediante

conducción térmica, mientras que la convección térmica en general sólo resulta posible en

líquidos y gases. De hecho los sólidos transfieren calor básicamente por conducción térmica,

mientras que para gradientes de temperatura importante los líquidos y los gases transfieren la

mayor parte del calor por convección.

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de

transmitir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y

es baja en los polímeros, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de

vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace

falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha

practicado un vacío bajo.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien

utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto.

En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la

conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos

intermedios (ver termo), y se disponen en configuraciones con poca área de contacto..

La tabla que se muestra a continuación se refiere a la capacidad de ciertos materiales para

transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica(k) caracteriza la cantidad de calor

necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material

homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras. Es una

propiedad intrínseca de cada material que varía en función de la temperatura a la que se

efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder

comparar unos elementos con otros. Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que

ocurre por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero

predomina en los sólidos.

-FENOMENO FISICO SIMPLIFICADO:

Conducción de Calor de una Barra Metálica

De la experiencia cotidiana observamos que si se sujeta el extremo de una barra metálica,

como por ejemplo una cuchara, y se coloca el otro en una llama, el extremo que se sostiene se

calienta de a poco, aunque no esté en contacto directo con la llama. El calor llega al extremo

más frío por conducción a través del material. A nivel atómico, los átomos de las regiones más

calientes tienen en promedio más energía cinética que sus vecinos más fríos, así que los

empujan y les dan algo de su energía. Los vecinos empujan a sus vecinos, continuando así a

través del material. Los átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero la

energía sí se propaga.

La mayor parte de los metales usan otro mecanismo más efectivo para conducir calor. Dentro

del metal, algunos electrones pueden abandonar sus átomos padres y vagar por la red

cristalina. Estos electrones “libres” pueden llevar energía rápidamente de las regiones más

calientes del metal a las más frías. Es por ello que los metales que son buenos conductores de la

electricidad generalmente son también buenos conductores del calor.

Sólo fluye calor entre regiones que están a diferentes temperaturas, y la dirección del flujo

siempre es de la temperatura más alta, TH, a la más baja, TC. Si se transfiere una cantidad de

calor dQ en un tiempo dt, la razón de flujo de calor, H, es dQ/dt, y se la llama corriente de calor.

Introduciendo una constante de proporcionalidad k, llamada conductividad térmica del

material, para una barra de longitud L y área transversal A, tenemos:

H=dQdt

=kAT H−T cL

Para ello, la barra tendría que estar aislada de forma de no transferir calor por sus lados al

medio circundante. Si la temperatura varía de manera no uniforme a lo largo de la varilla

conductora, introduciendo una coordenada x a lo largo de la barra y generalizando el gradiente

de temperatura como dT/dx, entonces la corriente de calor es:

H=dQdt

=kA dTdx

El signo negativo indica que el calor siempre fluye en la dirección de temperatura decreciente.

-HIPOTESIS:

Se pretende por medio de la realización de esta práctica obtener el valor de k para el bronce y

el perfil de temperatura para hierro y aluminio.

-MODELO MATEMATICO:

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de

transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a

la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.

dQ x

dt=−kA ∂T

∂ x

Donde:

dQ x

dt Es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x.

k Es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica.

T Es la temperatura.

t El tiempo.

Q/t= m LV

Q= Transferencia de calor

T= Tiempo

LV= Calor de vaporización

4. DISEÑO DE LA PRÁCTICA

-VARIABLES Y PARAMETROS

Las variables necesarias para la determinación del perfil de temperatura son las alturas de los

puntos y la temperatura tomada a la altura a la que se tomo.

Para la conductividad térmica del bronce es necesario conocer la densidad de la acetona, el

tiempo que tarda en destilarse un volumen determinado de acetona, la longitud del tubo y el

área de sección transversal

-HOJA DE DATOS.

Aluminio

h (cm) T (ºC)

Hierro

h (cm) T (ºC)

-EQUIPO Y MATERIALES:

-Tubos de metal aislados (Aluminio, Hierro y Bronce)

-Plancha

-Matraz bola

-Intercambiador de calor

-Matraz Erlenmeyer

-Vaso de precipitados

-Soporte universal

-Pinzas

-Acetona

-DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:

Para perfiles de temperatura, se colocaron los 2 tubos aislados en una plancha, el aislante de

los tubos contiene 5 orificios separados a diferentes alturas del tubo. Con un termómetro

infrarrojo se toma la temperatura en las diferentes alturas del tubo y se mide la altura de

separación entre ellos.

Para la práctica de medición de la conductividad térmica La barra metálica se coloca en posición

vertical, el extremo inferior se calienta con vapor del agua en ebullición, el extremo superior se

pone en contacto con un líquido volátil en ebullición. De este modo, ambos extremos de la

barra mantienen su temperatura invariable durante todo el proceso de medida mientras las

sustancias en contacto permanezcan en estado líquido.

El vapor de agua se escapa por un tubo vertical, que es refrigerado con agua fría. Parte del

vapor se condensa y regresa al depósito inferior.

La barra metálica en posición vertical, se envuelve con material aislante excepto por sus

extremos, para evitar las pérdidas de calor por su superficie lateral.

El extremo inferior, se calienta con vapor de agua a TA=100º C, la barra conduce el calor hacia el

extremo superior que está en contacto con un líquido volátil a su temperatura de ebullición TB.

El vapor sale por un tubo curvado que se refrigera con agua fría, el vapor se condensa y líquido

resultante se acumula en un tubo graduado, que mide el volumen de líquido que se condensa a

medida que transcurre el tiempo.

A partir de la medida de volumen de liquido volátil condensado durante un determinado

tiempo, se obtiene el valor de la conductividad térmica de la barra metálica.

5. REALIZACION DE LA PRÁCTICA

-Mediciones:

Perfiles de temperatura:

Aluminio

h (cm) T (ºC)

0 190

3 80

7.5 47.4

12 37.6

17.5 34.2

22.5 33.6

Hierro

h (cm) T (ºC)

0 190

3.5 60.6

8 35.6

12.5 34.6

18.5 34.2

23.5 32.2

Estimación de k para el bronce

Volumen de acetona condensado (V)= 9ml

Longitud del tubo de bronce (L)= 10 cm

Diámetro del tubo (D)= 2.4 cm

Área (A)= 4.52 cm2

Densidad de la acetona (ρ)= 0.79 g/ml

T1= 94.6 °C

T2= 77.6 °C

LV= 524 x 103 J/Kg

-OBSERVACIONES:

-Asegurarse de que el equipo este bien ensamblado.

6. ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS:

Por medio de los datos obtenidos en ambas graficas se procede a realizar los cálculos

necesarios para obtener el coeficiente de conductividad térmica del bronce y obtener las

graficas correspondientes al hierro y aluminio.

-Cálculos

Coeficiente de conductividad térmica

V=mp

m=ρVm=7.11 gr

Q=mLV

Q=−kAT 2−T1

L

m LV=−kAT 2−T 1

L

k=mLV L

A (T 1−T 2 )

k=(7.11gr )(125.155

calgr )(10cm )

( 4.52cm2 ) (367.6 ° K−350.6 ° K ) (410 s)

k=0.2824cal

cm °K s

k=118.156W°C m

-Graficas

Perfiles de temperatura

0 5 10 15 20 250

20406080

100120140160180200

X cm

TºC

0 5 10 15 20 250

20406080

100120140160180200

cm

TºC

7. DISCUSION Y CONCLUSIONES:

Por medio de este procedimiento experimental podemos conocer el coeficiente de

conductividad térmica de un material como fue en este caso el bronce, así también el perfil de

temperatura del hierro y el aluminio mediante graficas.

8. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES:

*Tener un mayor orden en el manejo del equipo y en la toma de las mediciones.

9. REFERENCIAS

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/barra/barra.html

http://html.rincondelvago.com/conduccion-del-calor.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica

Fenómenos de transporte, Byron Bird, editorial Reverte.