Transferencia de calor

TRANSFERENCIA DE CALOR.

Calor:

 Se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia.

Temperatura:

 Es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se eleva, o viceversa.

  Las leyes de la Termodinámica tratan de la transferencia de energía pero solo se refieren a sistemas que están en equilibrio. Por ello, permiten determinar la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro pero no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse estos cambios. La transferencia de calor complementa la primera y la segunda ley, proporcionando los métodos de análisis que pueden utilizarse para predecir esta velocidad de transmisión.

Transferencia de calor por conducción:

  Cuando en un medio sólido existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo qk es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx multiplicado por el área A a través del cual se transfiere es decir

Conductividad térmica:

   La conductividad térmica de un material varía con la temperatura. Los gases tienen conductividad térmica mas baja que los líquidos. Los metales como el cobre y el aluminio tienen conductividad térmica alta.

Transferencia de calor por convección:

  Cuando un fluido se pone en contacto con una superficie sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de energía térmica se denomina transferencia de calor por convección. Hay dos tipos de procesos de convección: convección libre o natural y convección forzada.

  En el primer caso la fuerza motriz procede de la diferencia de densidad en el fluido que resulta del contacto con una superficie a diferente temperatura y da lugar a fuerzas ascensionales. En el segundo caso una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie a una temperatura mayor o inferior que la del fluido. Para una u otra forma de transferencia de calor por convección, la cantidad de calor es

Transferencia de calor por radiación:

  Por radiación la energía se transporta en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. La radiación electromagnética que se considera aquí es la radiación térmica.

   La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie. Un radiador perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie por unidad de tiempo qr dada por la ecuación:

Ejemplos:

Por conducción:

  Una chimenea de hormigón armado con diámetro interior D2 = 800 mm, diámetro exterior D3 = 1300 mm, debe ser revestida por dentro con refractario. Determinar el espesor del revestimiento y la temperatura T3 de la superficie exterior de la chimenea, partiendo de la condición de que las pérdidas de calos de un metro de la chimenea no excedan de 2000 W/m, y de que la temperatura T2 de la superficie interior de la pared de hormigón armado no supere 200 °C. La temperatura de la superficie interior del revestimiento es de T1 = 425 °C; el coeficiente de conductividad térmica de revestimiento es K1 = 0.5 W/m°C; el coeficiente de conductividad térmica del hormigón es K2 = 1.1 W/m°C.

Por convección:

Por una tubería de 150 m circulan 0.63 kg/s de vapor húmedo con calidad 10% a una temperatura de 250 °F. El diámetro interior de la tubería es 4”. A la salida de la tubería se tiene líquido saturado. Calcular la temperatura de la superficie interior del tubo.

1 lbm = 0.45359 kg

1 pulg = 2.54 cm

1 Joule = 9.478x10-4 BTU

De la tabla de vapor humedo:

Por radiación:

  En un horno de 1 m3, las paredes verticales están hechas de un material aislante. La resistencia eléctrica fue colocada en la superficie inferior produce una potencia total de 60 W siendo su temperatura 328 K. Determine la temperatura de la cara superior del horno.

  En el vídeo a continuación se presenta una explicación de las tres formas de transferencia de calor y un ejemplo en nuestra vida cotidiana de cada una de ellas.