Monografias.com > Ingeniería
Descargar Imprimir Comentar Ver trabajos relacionados

Transferencia de calor




Enviado por Jhandro camacho



  1. Introducción
  2. La
    compresión calienta, la expansión
    enfría
  3. El
    fenómeno de transferencia
  4. Conducción del calor
  5. Unidades del coeficiente de
    conductibilidad
  6. Flujo
    calorífico
  7. Superficies isotermas
  8. Conclusiones

Introducción

la energía? De ella sabemos, por
ejemplo, que puede fluir en diversas formas, como la
energía calórica, la energía
eléctrica y el trabajo mecánico.
También, que se puede almacenar en diversas formas tales
como energía de formación en un resorte comprimido,
energía interna en un cuerpo caliente y
energía química en un combustible.es
decir que el mundo físico entero es una
manifestación de energía. Por ejemplo,
podríamos decir que la energía calórica
fluye debido a la diferencia de temperatura o que
expresa la energía interna de un material en
términos de la actividad de un átomo, pero sin
embargo esto no contesta la pregunta inicial.

La verdad es que en realidad desconocemos la respuesta.
La mayoría de las materias científicas y
tecnológicas comienzan con una aceptación
del concepto de energía y tratan las diversas
formas de energía y masa como elemento fundamental
del universo. Los problemas que se refieren a
la naturaleza fundamental y la existencia de
energía son más apropiados a los campos de
la filosofía y religión. La
ciencia no puede dar razones de la existencia de
energía o la existencia del mundo físico. Nosotros
mismo somos parte de este universo físico, parte de la
energía que deseamos entender y debido a esto ser
esencialmente imposible entender la existencia de la
energía. Sin embargo, esto no debe desalentarnos en el
estudio de las características de diversas
energías. El progreso realizado por el hombre y
que lo a llevado a su estado presente de
civilización, a sido gracias a que a
recabado información acerca de ella.

El tema de este trabajo se refiere
precisamente a una de las muchas manifestaciones de la
energía, el calor. Un claro ejemplo:

Cuando salimos de la ducha o de la pileta, sentimos
frío. ¿Por qué? El agua, al evaporarse, toma
calor, es decir que cuando el agua se transforma en vapor le
quita calor al cuerpo y por eso sentimos frío. Lo mismo
pasa si nos ponemos alcohol o acetona sobre la piel; el
líquido se evapora más rápidamente que el
agua, y al quitar más rápido el calor de la piel
sentimos más frío.

En verano mojarse puede ser un alivio. Pero si nos
mojamos en invierno hay que secarse enseguida, porque el agua, al
evaporarse, quita calor del cuerpo. Cuando hace calor o hacemos
ejercicio físico, transpiramos más. La
evaporación del sudor ayuda a bajar la temperatura del
cuerpo. Esta propiedad también puede observarse con los
aerosoles. Cuando rociamos una cantidad considerable de cualquier
producto envasado en aerosol, notamos que el envase se
enfría.

  • Dentro del envase hay una sustancia, el propelente,
    que sirve para impulsar el producto que se desea rociar (por
    ejemplo, desodorante o insecticida). El propelente, en
    condiciones normales, es una sustancia gaseosa, pero dentro
    del aerosol se encuentra comprimido en estado
    líquido.

  • Cuando se oprime la válvula, la
    presión interna del envase empuja su contenido hacia
    fuera y sale el propelente con el producto. Esto disminuye la
    presión en el interior del envase.

  • Al haber menos presión, parte del
    líquido que está en el envase se
    evapora.

  • Al evaporarse, el propelente absorbe calor del
    ambiente. Por lo tanto, los materiales próximos, como
    el envase, se enfrían.

Monografias.com

El aerosol se enfría porque la evaporación
quita calor.

En los ejemplos anteriores se pudo observar que cuando
un líquido se hace gas (evaporación), quita o
absorbe calor. Esto se debe a que el gas tiene un mayor contenido
energético que el líquido, si tienen la misma
temperatura. En el caso contrario, cuando un gas se hace
líquido (condensación), se libera calor. En estas
transformaciones, la diferencia de energía entre ambos es
liberada o absorbida en forma de calor.

La
compresión calienta, la expansión
enfría

Cuando inflamos la rueda de una bicicleta, notamos que
el tubo del inflador se calienta.

Cuando un gas se comprime, aumenta su temperatura (se
calienta); y cuando se expande(aumenta su volumen), su
temperatura disminuye (se enfría).Al inflar la rueda,
empujamos con un émbolo el aire contenido dentro d el tubo
del inflador (le entregamos energía en forma de
trabajo).Al comprimirse, el aire aumenta su temperatura, le
transfiere calor al tubo del inflador (que se encontraba a menor
temperatura) y hace que éste se caliente.

Monografias.com

El inflador se calienta porque el gas se
comprime.

Estos cambios se deben a la pérdida
de energía del gas cuando se expande, a causa del trabajo
que realiza al "empujar hacia fuera" y a la energía que se
le transfiere al comprimirlo cuando se lo "empuja hacia
adentro".Los cuerpos, sometidos a la influencia de una fuente
calórica, se calientan, es decir, absorben parte del calor
transmitido. También esos cuerpos, en función del
material de que están constituidos, no absorben ese calor
de la misma forma e intensidad.

El calor absorbido por el cuerpo lo recorre
interiormente, desde la cara expuesta a la fuente
calórica, hasta la cara opuesta. Es decir desde una zona
de mayor temperatura a otra de menor temperatura.

En este fenómeno, que se conoce con el nombre de
conductividad térmica, vemos que no todo el calor
absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo
podemos comprobar aplicando una mano sobre ambas caras, con lo
cual sentiremos que la cara opuesta está más
fría que la expuesta.

Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al
paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce
como resistencia térmica del material.

La propiedad de retener parte del calor absorbido e
impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la
capacidad aislante al calor que posee el
material.

En un muro cualquiera de una construcción, el
calor imperante en el exterior, pasará a través de
su masa al interior del local, en la medida que su capacidad
aislante lo permita.

Si dentro de un ambiente debemos lograr un rango de
confort determinado, en función de las normas
mínimas de habitabilidad, habrá que diseñar
el muro con materiales y espesores adecuados, de modo tal que se
logre el máximo aislamiento.

La transmitancia térmica, es decir, la propiedad
de los cuerpos de dejar pasar calor a través de su masa,
deberá entonces limitarse.

Para ello debemos estudiar los fenómenos de
transferencia de energía en forma de calor, que
comúnmente denominamos transferencia de
calor
.

El
fenómeno de transferencia

Hemos visto que cuando dos o más sistemas de
temperaturas diferentes se ponen en comunicación entre
sí a través de una pared diatérmana alcanzan
el estado de equilibrio térmico.

Este fenómeno se explica por el pasaje de
energía calorífica de los cuerpos de mayor
temperatura a los de menor temperatura y se lo denomina
transmisión de calor. En un sentido más amplio,
este fenómeno se produce también entre las
porciones de un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes
temperaturas y entre cuerpos que no estando en contacto se
encuentran también a temperaturas diferentes.

En este fenómeno el estado de agregación
molecular es importante, ya que de acuerdo a como estén
vinculadas estas moléculas, se presentarán tres
formas de transmisión de calor:

  • 1) Conducción: esta
    forma de transmisión de calor se manifiesta
    principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza
    por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura
    hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable
    de materia. La transmisión de calor puede producirse
    de una parte a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro en
    contacto con él.

  • 2) Convección: esta
    forma se manifiesta en los líquidos y gases que
    alcanzan el equilibrio térmico como consecuencia del
    desplazamiento de materia que provoca la mezcla de las
    porciones del fluido que se encuentran a diferentes
    temperaturas. La convección será natural cuando
    el movimiento del fluido se debe a diferencias de densidad
    que resultan de las diferencias de temperatura. La
    convección será forzada cuando el movimiento es
    provocado por medios mecánicos, por ejemplo mediante
    un agitador en los líquidos o un ventilador en los
    gases.

  • 3) Radiación: es la
    forma de transmisión en la que el calor pasa de un
    cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura sin
    que entre ellos exista un vinculo material. Esto indica que
    el calor se transmite en el vacío, en forma de ondas
    electromagnéticas denominadas comúnmente
    radiación o energía radiante.

Si bien para facilitar el fenómeno de
transmisión hemos separado el fenómeno en tres
formas diferentes, en la naturaleza el calor generalmente se
transmite en dos o tres formas simultáneamente. Es decir
que la conducción puede incluir también
convección y radiación y los problemas de
convección incluyen a la conducción y a la
radiación.

Conducción
del calor

Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras y
se las denomina buenos conductores, mientras que aquellas que lo
hacen con mayor dificultad se denominan malos conductores o
aisladores. Entre las primeras se encuentran los metales
y entre los malos conductores los gases y los
líquidos como así también muchos
cuerpos sólidos. Se debe tener en cuenta que el mercurio
por ser un metal es buen conductor del calor a pesar de
encontrarse en estado líquido.

El mecanismo de la transmisión del calor se
estudia más fácilmente en los cuerpos
sólidos pues en este caso no hay convección. Al no
haber movimiento relativo de moléculas.

La temperatura de un punto de un sólido en un
instante dado, cuando el sólido está transmitiendo
calor por conducción, depende de las coordenadas del punto
considerado. Por otra parte, para cada punto en particular, la
temperatura será en general función del
tiempo.

Si referimos todos los puntos del sólido a un
sistema de coordenadas x, y, z y llamamos (( al tiempo, podremos
escribir entonces para la temperatura t que:

t = f(x, y, z, ()

Cuando como en este caso, la distribución de las
temperaturas de los puntos de un sólido depende no
sólo de las coordenadas de los diferentes puntos sino
también del tiempo, el estado térmico del
cuerpo se denomina de régimen variable.

En un cuerpo sólido puede ocurrir que
después de un cierto tiempo las temperaturas de todos sus
puntos permanezcan constantes o sea que no varía con el
tiempo. En este caso la distribución de las temperaturas
dependerá solamente de las coordenadas de los diferentes
puntos considerados, por lo que escribiremos:

t = f (x, y, z )

En este caso el estado térmico se denomina de
régimen estacionario o permanente.

ESTADO TÉRMICO ESTACIONARIO: GRADIENTE O
CAÍDA DE TEMPERATURA

Supongamos, para simplificar, que el calor se transmite
a lo largo del eje x, o sea que la distribución de las
temperaturas es función de esa coordenada:

t = f (x ) en régimen
estacionario

Además tomaremos una variación lineal de t
con respecto a x, o sea:

t = a + b x

Para un punto A, la temperatura será:

Monografias.com

La caída media de temperatura entre A y B
será:

Monografias.com

A la magnitud G se denomina gradiente de
temperatura
.

LEY DE FOURIER

Supongamos que por los puntos A y B pasan planos
perpendiculares a la dirección x, que determinan en el
sólido las áreas S1 y S2 que poseen
respectivamente, temperatura uniforme (superficies
isotermas).

Monografias.com

Si la temperatura es función lineal de x, la
gradiente de temperatura tendrá el mismo valor entre los
puntos A y B.

Monografias.com

Podemos definir entonces el coeficiente de
conductibilidad térmica como la cantidad de calor que
se transmite en un segundo, a través de la unidad de
superficie, entre dos planos paralelos distantes la unidad de
longitud y cuando la diferencia de sus temperaturas es de
1°C
.

Unidades del
coeficiente de conductibilidad

Monografias.com

En el sistema internacional o SI, el que adopta en
nuestro país para las normas IRAM, denominado SIMELA, el
coeficiente de conductibilidad térmica
será:

Monografias.com

VALORES DEL COEFICIENTE DE CONDUCTIBILIDAD

Monografias.com

Así por ejemplo, bastan trozos de arsénico
en el cobre para reducir su conductividad térmica hasta
cerca de la tercera parte de la correspondiente al cobre puro.
Este proceso se denomina dopado, y se utiliza en la
fabricación de semiconductores que se usan en la industria
electrónica.

Monografias.com

Flujo
calorífico

La ley de Fourier establece:

Monografias.com

En la expresión del flujo calorífico, se
observa que depende de la diferencia de temperatura, en
consecuencia, cuando la diferencia de temperaturas permanece
constante, el flujo también será constante
.
Esto ocurre en el estado de régimen estacionario o
permanente, pues la distribución de temperaturas es
constante lo que mantiene constante la diferencia de
temperaturas.

Por lo contrario, en el estado de régimen
térmico variable, la distribución de las
temperaturas varía con el tiempo, y también
variará la diferencia de temperaturas, en consecuencia el
flujo será variable.

Superficies
isotermas

Se llaman superficies isotérmicas a las
definidas por los puntos del sólido que poseen igual
temperatura. La transmisión del calor se dirige en
dirección normal a dichas superficies isotermas. Las
normales a las superficies coincidirán entonces con las
direcciones del flujo calorífico, y se denominan
líneas de flujo.

Monografias.com

En la figura, se observa un sólido que ha sido
cortado con un plano que determina con las superficies isotermas
las curvas isotérmicas (1), (2) y (3) de temperaturas t1,
t2 y t3.

a, b, c son las líneas de flujo.

Hemos visto que,

Monografias.com

Suponiendo el estado de régimen térmico
estacionario, el flujo calorífico permanecerá
constante, y siendo d( la resistencia térmica del material
entre las superficies de temperaturas t1 y t2, se obtiene al
integrar:

Monografias.com

Recomendaciones para evitar el recalentamiento de
artefactos eléctricos aplicando los principios de
transferencia de calor:

Utilizar placas (preferiblemente de aluminio) que
estén en contacto con
los circuitos eléctricos de manera que pueda
ocurrir una transferencia por conducción.

Utilizar un extractor de manera que haya una
transferencia por conducción debido a que el calor va a
ser transferido de los componentes electrónicos hacia el
aire y este será extraído por el
extractor.

Con respecto a la transferencia por radiación no
es posible hacerla en este tipo de mecanismo.

Conclusiones

Para una descripción cuantitativa de
los fenómenos térmicos, es necesaria una
definición cuidadosa de conceptos como: temperatura, calor
y energía interna. Para entender el concepto de
temperatura es útil definir dos frases usadas con
frecuencia, contacto térmico y equilibrio térmico.
Para comprender el significado de contacto térmico, basta
imaginar dos objetos situados en un recipiente aislado de manera
que interactúen entre sí pero no con el resto de
mundo. Si los objetos están a diferentes temperaturas,
entre ellos se intercambia energía, aun cuando no
estén en contacto físico.

El calor es la transferencia de energía de un
objeto a otro como resultado de una diferencia de temperatura
entre los dos. El equilibrio térmico es una
situación en la que dos objetos en contacto térmico
dejan de intercambiar energía por el proceso de calor ya
que los dos alcanzaron la misma temperatura.

Los termómetros son instrumentos que se usan para
medir temperaturas, todos están basados en el principio de
que alguna propiedad física de un sistema cambia conforme
cambia la temperatura del sistema; algunas de esas propiedades
son: el volumen de un líquido, la longitud de un
sólido, la presión de un gas, la resistencia
eléctrica de un conductor, entre otras. Los
termómetros más comunes constan de una masa de
líquido (mercurio o alcohol) que se expande
dentro de un tubo de vidrio capilar cuando se calienta. La
energía interna es toda aquella energía de un
sistema que está asociada con sus componentes
microscópicos (átomos y moléculas) y que se
relaciona con la temperatura de un objeto. Cuando se calienta una
sustancia, se le está transfiriendo energía al
ponerla en contacto con un ambiente de mayor temperatura, el
término calor se usa así para representar la
cantidad de energía transferida. Es importante comprender
la relación a la cual la energía se transfiere y
los mecanismos responsables de la transferencia. Se conocen tres
mecanismos de transferencia de energía; el proceso de
transferencia de energía que está más
claramente asociado con una diferencia de temperatura es la
conducción térmica. Otro mecanismo es por
convección, se ve cuando la transferencia es por el
movimiento del medio que puede ser aire o agua y el movimiento es
por cambios en la densidad. La tercera forma de transferir
energía es radiación. Todos los objetos radian
energía continuamente, un cuerpo que está
más caliente que sus alrededores radia más
energía de la que absorbe, en tanto que un cuerpo que
está más frío que su alrededor absorbe
más energía de la que radia. Las conclusiones que
podemos al estudiar el calor y la energía son:

1.- El calor se transfiere en forma de
energía

2.- El calor se transfiere de un cuerpo de mayor
temperatura a uno de menor temperatura

3.- La energía se transfiere por tres mecanismos:
conducción, convección y
radiación

4.- La temperatura es la medida de la energía
interna de un sistema.

5.- La temperatura se puede medir con los
termómetros y no con sensaciones
térmicas.

 

 

Autor:

T.S.U Camacho Jhandro

Docente:

Ing. Lourdes Moreno

República Bolivariana de
Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la
Educación Universitaria

Instituto Universitario de
Tecnología Agro Industrial

Programa Nacional de Formación de
Ingeniería Mecánica

San Cristóbal, Octubre
2014

Nota al lector: es posible que esta página no contenga todos los componentes del trabajo original (pies de página, avanzadas formulas matemáticas, esquemas o tablas complejas, etc.). Recuerde que para ver el trabajo en su versión original completa, puede descargarlo desde el menú superior.

Todos los documentos disponibles en este sitio expresan los puntos de vista de sus respectivos autores y no de Monografias.com. El objetivo de Monografias.com es poner el conocimiento a disposición de toda su comunidad. Queda bajo la responsabilidad de cada lector el eventual uso que se le de a esta información. Asimismo, es obligatoria la cita del autor del contenido y de Monografias.com como fuentes de información.

Categorias
Newsletter