TRANSFERENCIA DE CALOR I Universidad Simón Bolívar TRANSFERENCIA DE CALOR I Prof. Miguel Reyes Ofic. 203 B mareyes@usb.ve

IMPORTANCIA DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR “Ningún tema tiene relaciones más extensas con los procesos de la industria y las ciencias naturales; porque la acción del calor está presente siempre, penetra todos los cuerpos y los espacios, influye en los procedimientos de las artes y concurre con todos los fenómenos del universo” Joseph Fourier 1822

Teoría del Calórico (1789) (Antoine Lavoisier 1743-1794) La teoría del calórico fue fuertemente rebatida después de su introducción, pero no fue sino hasta 1843 con los experimentos de James P. Joule (1818-1889) cuando esta teoría fue abandonada definitivamente. El calor es una sustancia semejante a un fluido, llamada calórico, que no tiene masa, es incoloro, inodoro e insípido y se puede verter de un cuerpo a otro. El calórico es una sustancia que no se crea ni se destruye. Cuando se agrega calórico a un cuerpo, su temperatura aumenta, y cuando se extrae, su temperatura disminuye. Cuando un cuerpo no puede contener mas calórico, se dice que el cuerpo esta saturado con calórico.

Transferencia de Calor Esta interpretación dio lugar a términos tales como Líquido saturado Vapor saturado Flujo de calor Adición de calor Absorción de calor Pérdida de calor Almacenamiento de calor Fuente de calor Calor específico y Transferencia de Calor Aunque estos términos no están de acuerdo con la teoría actual sobre el calor, ellos están profundamente arraigados en nuestro vocablo y se utilizan normalmente dentro del ámbito científico e industrial sin causar confusión. Sustituir el término calor por energía térmica ha tenido un éxito limitado

DEFINICION Calor: Proceso a través del cual se transfiere energía interna desde un sistema a su entorno debido a una diferencia de temperaturas. Transferencia de calor: Es la ciencia que estudia la velocidad con que se produce la transferencia de energía interna de una región a otra en forma de calor Mecanismos de transferencia de calor Conducción Radiación Convección

Conducción: La energía esta presente en la materia de varias formas: Cinética Velocidad respecto a un sistema de referencia Potencial Posición relativa en un campo gravitatorio Química Enlaces moléculares Nuclear Enlaces en el interior del núcleo Energía Interna Movimientos moleculares atómicos y sub atómicos La temperatura es una medida de la energías cinética asociada al movimiento de estas partículas. Conducción: Es la transferencia de energía interna entre dos regiones en contacto por medio de choques elásticos entre las moléculas (gases y líquidos) o entre los electrones (sólidos) Dado que en los choques, la energía cinética se transfiere del objeto de más velocidad al de menos velocidad, entonces, la energía se transfiere desde las zonas de más temperatura a las zonas de menos temperatura.

: Calor transmitido por unidad de tiempo y área (J/sm2 o W/m2 ) Ley de Fourier (1822) : Calor transmitido por unidad de tiempo y área (J/sm2 o W/m2 ) : Propiedad de la materia llamada conductividad térmica (W/mK) : Gradiente de temperatura en la dirección x Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) fue un matemático francés, precursor de la moderna disciplina de la transferencia de calor. Tamben fue servidor público (gobernador y prefecto).

La ecuación de Fourier puede integrarse sobre un sistema físico determinado para conocer el flujo de calor en función de la geometría y las condiciones de contorno. Ejemplo: pared plana Tc L Tf A Resistencia térmica Conductancia térmica

Radiación: Es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultados de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos y moléculas. La radiación no necesita un medio de transporte, de hecho, esta puede transportarse incluso en el vació. La velocidad de transporte de las ondas electromagnéticas es la velocidad de la luz. El mecanismo de transporte de energía por radiación es básicamente el mismo de radiación de la luz. La luz visible por el ojo humano es un caso particular de la radiación y ambas son parte del espectro de ondas electromagnéticas.

Ultravioleta 0.01-0.4 Infraroja 0.76-100 visible

El poder emisor de un cuerpo negro esta dado por la siguientes ecuación. Esta ecuación de conoce como la Ley de Planck y fue propuesta conjuntamente con la teoría cuántica por Max Planck en 1901.

Ley de Stefan-Boltzmann La radiación es un fenómeno volumétrico, sin embargo, en algunos cuerpos (sólidos) llamados opacos, la radiación no se transmite dentro del cuerpo y por lo tanto la radiación emitida proviene únicamente de la superficie. Ley de Stefan-Boltzmann (2) : potencia emisiva de un cuerpo negro (J/sm2 o W/m2 ) : constante de Stefan-Boltzmann (5.67x10-8 W/m2K4 ) : potencia emisiva de un cuerpo no negro (gris) (J/sm2 o W/m2 ) : emisividad (0<<1) La ecuación fue establecida empíricamente por Joseph Stefan en 1879 y analíticamente por su discípulo Ludwig Boltzmann en 1984

Intercambio neto de calor por radiación Intercambio de radiación entre superficies negras infinitas Resistencia térmica T1 T2 Intercambio neto de calor por radiación Conductancia térmica

Intercambio de radiación entre superficies negras arbitrarias Resistencia térmica T1 F1-2 = Factor de forma de 1 a 2 F2-1 = Factor de forma de 2 a 1 F1-2A1=F2-1A2 Conductancia térmica

Convección: Es un proceso de transferencia de energía que ocurre entre una superficie sólida y un fluido. Este proceso envuelve transporte de masa y transferencia de calor. La transferencia de calor puede darse por conducción o por conducción y radiación. Dado que es un proceso y no un mecanismo, no existe una ley particular de transferencia de calor por convección. Las leyes que lo gobiernan son las mismas que las de los mecanismos que participan, es decir, de la conducción, la radiación, la conservación de energía y la conservación de cantidad de movimiento.

Descripción del proceso de transferencia de calor por convección. Fluido

Distribución de temperaturas en ausencia de movimiento del fluido Descripción del proceso de transferencia de calor por convección. Distribución de temperaturas en ausencia de movimiento del fluido

Distribución de temperaturas con movimiento del fluido Descripción del proceso de transferencia de calor por convección. Distribución de temperaturas con movimiento del fluido

Sin mezcla Con mezcla

Campo de velocidades en el fluido Descripción del proceso de transferencia de calor por convección. Campo de velocidades en el fluido

Debido a la dificultad para resolver problemas basándose en las mencionadas ecuaciones, se utiliza una relación empírica conocida como Ley de Newton, la cual esta basada en los trabajos de Newton de 1701, pero que fue definitivamente formulada por Fourier en 1822: : es un coeficiente empírico denominado coeficiente de transferencia de calor por convección o coeficiente de película (W/m2K). : es la temperatura de la superficie. : es una temperatura de referencia del fluido que varia según el proceso.

Valores típicos de h W/m2K Resistencia térmica Conductancia térmica Valores típicos de h W/m2K Libre o Natural: El movimiento del fluido se produce por cambios en la densidad. Forzada: El movimiento del fluido se produce por un agente externo, bomba, ventilador, gradientes de presión, etc. Con cambio de fase: Se produce un cambio de fase en el fluido involucrado. Gases 2-5 25-250 Líquidos 50-1000 50-20000 Variantes del proceso de Convección 2500-100000