ESTADO NO ESTACIONARIO Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM

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1 ESTADO NO ESTACIONARIO Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

2 MENÚ Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com  Problema  Objetivos  Ecuaciones de balance para un fluido en movimiento  Enfoques Euleriano y Lagrangiano  Concepto de campo y derivada material (total)  Ecuación de difusión  Conductividad infinita  Ejemplo

3 ¿Cómo se obtiene el perfil de temperaturas, cuando hay dependencia del tiempo? Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com PROBLEMA

4  Comprender la diferencia entre el enfoque Euleriano y Lagrangiano en la descripción del movimiento de un fluido.  Entender la ecuación de balance de energía en estado no estacionario, como una generalización a un medio continuo de la 1ª ley de la termodinámica.  Conocer la ecuación que controla la evolución temporal de los perfiles de temperatura en el caso de transferencia de calor en estado no estacionario (ecuación de difusión) como un caso límite de la ecuación general de balance de energía.  Conocer el criterio para determinar en qué casos se puede considerar una transferencia de calor “instantánea”.  Resolver problemas en los cuáles se puede considerar que n o existe un gradiente de temperatura. Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com OBJETIVOS

5 Hasta esta parte del curso, los que hemos visto no varían con el tiempo. Eso se consigue gracias a que se proporciona energía al sistema (calefactor, por ejemplo) Lo “natural” sería que los perfiles cambiaran con el tiempo. PERFILES DE TEMPERATURA Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

6 EVOLUCIÓN TEMPORAL DEL PERFIL DE TEMPERATURAS Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

7 T (X,t) puede obtenerse experimentalmente. Cuando T no depende del tiempo, lo podemos conocer a través de una ecuación. ¿Existe una ecuación para conocer T cuando depende del tiempo? La respuesta corta es sí: Se llama la ecuación de difusión. DETERMINACIÓN DEL PERFIL DE TEMPERATURAS Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

8 ECUACIONES DE BALANCE PARA UN FLUIDO EN MOVIMIENTO La ecuación de difusión: es un caso particular de la ecuación de balance de energía. Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

9 OTRAS ECUACIONES DE BALANCE Existen otras ecuaciones de balance: De cantidad de Movimiento (Navier Stokes) De masa (Continuidad) Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

10 ECUACIONES DE CONTINUIDAD Y MOVIMIENTO Las tres ecuaciones, son el resultado de balances como los que hemos hecho para la energía, en el caso estacionario. Representan la generalización, al caso de un medio continuo de las ecuaciones de conservación de masa, energía y momento. Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

11 ECUACIONES DE BALANCE PARA UN FLUJO EN MOVIMIENTO (PARTÍCULA Y MEDIO CONTINUO) Física de la partículaMedio Continuo Conservación de la masaEcuación de continuidad Conservación de la energíaEcuación de difusión Conservación del momentoEcuación de Navier-Stokes Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

12 EULER VS LAGRANGE. Para poder describir el movimiento de las partículas hay qe darse un Marco de referencia. Existen dos posibilidades: Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com Lagrange “persigue” a las partículas (marcaje hombre a hombre). Euler se fija en una región del espacio (marcaje por zona).

13 UN POQUITO DE MATEMÁTICAS Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com En el enfoque de Euler, la velocidad es un campo vectorial, es decir que se puede asignar a cada punto del espacio un valor de v x (x,y, z), v y (x,y, z) y v z (x,y, z). x, y, z pueden a su vez depender del tiempo: x(t), y(t), z(t)

14 LA REGLA DE LA CADENA Para derivar v x, v y o v z, con respecto al tiempo se usa la regla de la cadena: Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

15 LA DERIVADA MATERIAL (TOTAL) Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

16 BALANCE DE ENERGÍA Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com 1ª LEY DE LA TERMODINÁMICA

17 MATEMÁTICAMENTE Velocidad de ganancia de energía por unidad de volumen. Velocidad de trabajo comunicado al fluido por unidad de volumen debido a las fuerzas de gravitación. Velocidad de entrada de energía por unidad de volumen debido a la conducción. Velocidad de entrada de energía por unidad de volumen debido a la convección. Velocidad de trabajo comunicado al fluido por unidad de volumen debido a las fuerzas de presión. Velocidad de trabajo comunicado al fluido por unidad de volumen debido a las fuerzas viscosas. Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

18 ECUACIÓN DE BALANCE Velocidad de trabajo comunicado al fluido por unidad de volumen debido a las fuerzas de gravitación Velocidad de trabajo comunicado al fluido por unidad de volumen debido a las fuerzas viscosas Velocidad de trabajo comunicado al fluido por unidad de volumen debido a las fuerzas de presión Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com Velocidad de acumulación de energía cinética e interna Velocidad neta de adición de calor por conducción Velocidad de entrada de energía cinética e interna por convección

19 Es necesario además una ecuación de estado, que relacione las variables termodinámicas. Por ejemplo: PV = nRT Y relaciones termodinámicas, como las definiciones de C p o C v Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com PARA USAR LA ECUACIÓN EN CASOS PARTICULARES

20 CASOS PARTICULARES Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

21 CASOS PARTICULARES Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

22 CASOS PARTICULARES Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

23 ECUACIÓN DE DIFUSIÓN Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com Donde α, la difusividad térmica, es el cociente k/ρCp

24 CONDUCTIVIDAD INFINITA (GRADIENTE CERO) Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com Número de Biot

25 INTEGRANDO Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

26 VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

27 EJEMPLO Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com Una esfera de acero de radio 1 pulgada con temperatura inicial de 800 o F se sumerge en un medio a 250 o F. Si h=2.0 Btu/hr. Ft 2 o F ¿Cuál es la temperatura de la esfera después de 1 hora?

28 Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com EJEMPLO

29 Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

30 FINALMENTE

31 CUESTIONARIO (1/3) o Analiza la gráfica de la diapositiva “Evolución temporal del perfil de temperaturas” y describe, qué variable se encuentra en el eje x, cuál en el eje y, qué representa cada uno de los colores o ¿Cómo puede conocerse la evolución temporal del perfil de temperaturas? o ¿Cuáles son las tres ecuaciones de balance que generalizan, al caso del medio continuo, las leyes de conservación de masa, energía y cantidad de movimiento? o ¿Qué términos en general aparecen en la ecuación de balance de energía? Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com

32 o ¿Cuáles de esos términos permanecen en la ecuación de difusión? o ¿Cuál es la diferencia entre el enfoque Lagrangiano y el Euleriano en el estudio del movimiento de un fluido? o ¿En matemáticas, a qué se le llama un campo? o ¿Por qué es necesario usar la regla de la cadena en la escritura de las ecuaciones de balance, cuando hay un fluido en movimiento? Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com CUESTIONARIO (2/3)

33 o ¿Cómo se escribe el balance de energía en el caso de conductividades infinitas o gradiente cero? o ¿Qué criterio se usa para saber si la aproximación de gradiente cero, es pertinente? o En el caso de gradiente cero, ¿existe un perfil de velocidades? o ¿Qué compara el número de Biot? Rafael Fernández Flores. Curso: Transferencia de energía. Facultad de Química UNAM erreefeefe@gmail.com CUESTIONARIO (3/3)