Transferencia de calor

Presentación del tema: "Transferencia de calor"— Transcripción de la presentación:

1 Transferencia de calor
Presentación PowerPoint de Joaquín E. Borrero, Profesor de Física Colegio Comfamiliar Atlántico © 2010

2 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)

3 Objetivos: Después de terminar esta unidad, deberá:
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 que involucran la tasa de radiación y la emisividad de superficies.

4 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.

5 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. El fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección. Convección La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.

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

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

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

9 Conductividad térmica
Dt = t2 - t1 La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor. H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m2) Dt = diferencia de temperatura L = grosor del material

10 Las unidades SI para conductividad
Caliente Frío Para cobre: k = 385 J/s m C0 Taken literally, this means that for a 1-m length of copper whose cross section is 1 m2 and whose end points differ in temperature by 1 C0, 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.

11 Unidades antiguas de conductividad
Dt = 1 F0 L = 1 in. A=1 ft2 Q=1 Btu t = 1 h Unidades antiguas, todavía activas, usan mediciones comunes para área en ft2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y cantidad de calor en Btu. k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0 Tomado literalmente, esto significa que, para una placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya área es 1 ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0, el calor se conducirá a la tasa de 5.6 Btu/h.

12 Conductividades térmicas
A continuación se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades térmicas de materiales: Material Cobre: 385 2660 Concreto o vidrio: 0.800 5.6 Tablero de corcho: 0.040 0.30

13 Ejemplos de conductividad térmica
Comparación de corrientes caloríficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0 2050 kJ/s 4980 Btu/h Aluminio: 3850 kJ/s 9360 Btu/h Cobre: Concreto o vidrio: 8.00 kJ/s 19.4 Btu/h Tablero de corcho: 0.400 kJ/s 9.72 Btu/h

14 Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto
Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto. La superficie interior está a 20 0C y la superficie exterior a 12 0C. ¿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 C0. A = (2 m)(6 m) = 12 m2 200C 120C Dt = t2 - t1 = 8 C0 0.015 m A Q = ¿? t = 1 h Q = 18.4 MJ

15 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 -200C y la superficie exterior a +250C. ¿Cuál es la temperatura de la interfaz ti? ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Nota:

16 Al reordenar factores se obtiene:
Ejemplo 2 (Cont.): Encontrar la temperatura de interfaz para una pared compuesta. ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Al reordenar factores se obtiene:

17 Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene:
HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario 0.075ti C = 250C - ti De donde: ti = 21.90C Conocer la temperatura de interfaz ti permite determinar la tasa de flujo de calor por unidad de área, H/A. La cantidad H/A es igual para corcho o concreto:

18 Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante.
ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario H/A es constante en el tiempo, de modo que diferentes k producen diferentes Dt Corcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 Concreto: Dt = 250C C = 3.1 C0 Dado que H/A es el mismo, elija sólo concreto:

19 Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante.
ti 250C -200C HA 8 cm 12 cm Flujo estacionario Corcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 Concreto: Dt = 250C C = 3.1 C0 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 m2, el flujo de calor en 1 h sería ______ 745 kW

20 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/m2): Emisividad, e : > e > 1 Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4

21 Potencia radiada desde la superficie: P = 808 W
Encuentre potencia radiada Ejemplo 3: Una superficie esférica de 12 cm de radio se calienta a 627 0C. La emisividad es ¿Qué potencia se radia? A = m2 T = ; T = 900 K Potencia radiada desde la superficie: P = 808 W

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

23 Resumen de conductividad térmica
Dt = t2 - t1 La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor. H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m2) Dt = diferencia de temperatura L = espesor del material

24 Resumen de radiación Rate of Radiation (W/m2): R
La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área). Emisividad, e : > e > 1 Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4 R

25 Resumen de fórmulas

26 CONCLUSIÓN: Transferencia de calor