Capítulo 18. Transferencia de calor Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University © 2007.

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2 Capítulo 18. Transferencia de calor Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University © 2007

3 LA TRANSFERNCIA DE CALOR se minimiza mediante múltiples capas de revestimiento beta. Este y otros materiales aisladores protegen la nave espacial de condiciones ambientales hostiles. (NASA)

4 Objetivos: Después de terminar esta unidad, deberá: Demostrar su comprensión de conducción, convección y radiación, y dar ejemplos.Demostrar su comprensión de conducción, convección y radiación, y dar ejemplos. Resolver problemas de conductividad térmica con base en cantidad de calor, longitud de trayectoria, temperatura, área y tiempo.Resolver problemas de conductividad térmica con base en cantidad de calor, longitud de trayectoria, temperatura, área y tiempo. Resolver problemas que involucran la tasa de radiación y la emisividad de superficies.Resolver problemas que involucran la tasa de radiación y la emisividad de superficies.

5 Transferencia de calor por conducción Conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve. Conducción Dirección De caliente a frío.

6 Transferencia de calor por convección Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado. Convección El fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección. La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.

7 Transferencia de calor por radiación Radiación Sol Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas. Atómico ¡No se requiere medio!

8 Tipos de transferencia de calor Considere la operación de una cafetera común: Piense en cómo se transfiere calor por: ¿Conducción? ¿Convección? ¿Radiación?

9 Corriente calorífica vaporhielo La corriente calorífica H se define como la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo  en la dirección de mayor temperatura a menor temperatura. Unidades típicas son: J/s, cal/s y Btu/h

10 H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m 2 )  t = diferencia de temperatura L = grosor del material Conductividad térmica t1t1 t2t2  t = t 2 - t 1 La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

11 Las unidades SI para conductividad CalienteFrío Para cobre: k = 385 J/s m C 0 Taken literally, this means that for a 1-m length of copper whose cross section is 1 m 2 and whose end points differ in temperature by 1 C 0, heat will be conducted at the rate of 1 J/s. En unidades SI, por lo general mediciones pequeñas de longitud L y área A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en fórmulas.

12 Unidades antiguas de conductividad Tomado literalmente, esto significa que, para una placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya área es 1 ft 2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F 0, el calor se conducirá a la tasa de 5.6 Btu/h.  t = 1 F 0 L = 1 in. A=1 ft 2 Q=1 Btu  h Unidades antiguas, todavía activas, usan mediciones comunes para área en ft 2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y cantidad de calor en Btu. k de vidrio = 5.6 Btu in/ft 2 h F 0

13 Conductividades térmicas A continuación se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades térmicas de materiales:Cobre: Concreto o vidrio: Tablero de corcho: 3852660 0.8005.6 0.040 0.0400.30 Material

14 Ejemplos de conductividad térmica Aluminio: Comparación de corrientes caloríficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m 2 (10.8 ft 2 );  t = 100 C 0Cobre: Concreto o vidrio: Tablero de corcho: 2050 kJ/s 4980 Btu/h 3850 kJ/s 9360 Btu/h 8.00 kJ/s 19.4 Btu/h 0.400 kJ/s 9.72 Btu/h

15 Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto. La superficie interior está a 20 0 C y la superficie exterior a 12 0 C. ¿Cuántos joules de calor pasan a través de esta ventana en una hora? Suponga L = 1.5 cm y que k = 0.8 J/s m C 0. 20 0 C12 0 C  t = t 2 - t 1 = 8 C 0 0.015 m A Q = ¿?  = 1 h A = (2 m)(6 m) = 12 m 2 Q = 18.4 MJ

16 Ejemplo 2: La pared de una planta congeladora está compuesta de 8 cm de tablero de corcho y 12 cm de concreto sólido. La superficie interior está a -20 0 C y la superficie exterior a +25 0 C. ¿Cuál es la temperatura de la interfaz t i ? titititi 25 0 C -20 0 C HAHAHAHA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Nota:

17 Ejemplo 2 (Cont.): Encontrar la temperatura de interfaz para una pared compuesta. titititi 25 0 C -20 0 C HAHAHAHA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Al reordenar factores se obtiene:

18 Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene: titititi 25 0 C -20 0 C HAHAHAHA 8 cm 12 cm Flujo estacionario 0.075t i + 1.5 0 C = 25 0 C - t i De donde: t i = 21.9 0 C Conocer la temperatura de interfaz t i permite determinar la tasa de flujo de calor por unidad de área, H/A. La cantidad H/A es igual para corcho o concreto:

19 Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante. titititi 25 0 C -20 0 C HAHAHAHA 8 cm 12 cm Flujo estacionario H/A es constante en el tiempo, de modo que diferentes k producen diferentes  t Corcho:  t = 21.9 0 C - (-20 0 C) = 41.9 C 0 Concreto:  t = 25 0 C - 21.9 0 C = 3.1 C 0 Dado que H/A es el mismo, elija sólo concreto:

20 Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante. titititi 25 0 C -20 0 C HAHAHAHA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Corcho:  t = 21.9 0 C - (-20 0 C) = 41.9 C 0 Concreto:  t = 25 0 C - 21.9 0 C = 3.1 C 0 Note que 20.7 Joules de calor por segundo pasan a través de la pared compuesta. Sin embargo, el intervalo de temperatura entre las caras del corcho es 13.5 veces más grande que para las caras del concreto. Si A = 10 m 2, el flujo de calor en 1 h sería ______ 745 kW

21 Radiación La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área). Tasa de radiación (W/m 2 ): Emisividad, e : 0 > e > 1 Constante de Stefan-Boltzman:  = 5.67 x 10 -8 W/m·K 4

22 Ejemplo 3: Una superficie esférica de 12 cm de radio se calienta a 627 0 C. La emisividad es 0.12. ¿Qué potencia se radia? A = 0.181 m 2 T = 627 + 273; T = 900 K T = 627 + 273; T = 900 K P = 808 W Potencia radiada desde la superficie: A 627 0 C Encuentre potencia radiada

23 Resumen: Transferencia de calor Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado. Conducción: La energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve. Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.

24 Resumen de conductividad térmica H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m 2 )  t = diferencia de temperatura L = espesor del material t1t1 t2t2  t = t 2 - t 1 La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

25 Resumen de radiación Rate of Radiation (W/m 2 ): La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área). Emisividad, e : 0 > e > 1 Constante de Stefan-Boltzman:  = 5.67 x 10 -8 W/m·K 4 R

26 Resumen de fórmulas

27 CONCLUSIÓN: Capítulo 18 Transferencia de calor