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- 1. INSTITUTO TECNOLOGICO DE MEXICALI<br />INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL<br />LABORATORIO INTEGRAL I<br />REPORTE<br />PRACTICA:<br />“MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Y DETERMINACIÓN DE PERFILES DE TEMPERATURA”<br />Alumnas:<br />María Guadalupe Rangel González<br />García Fabián Claudia Yesenia<br />Profesor:<br />NORMAN EDILBERTO RIVERA PAZOS<br />Índice. TOC \o \" 1-3\" \h \z \u 1. OBJETIVOS: PAGEREF _Toc263600594 \h 32. FUNDAMENTO TEORICO: PAGEREF _Toc263600595 \h 3-FENOMENO FISICO SIMPLIFICADO: PAGEREF _Toc263600596 \h 5-HIPOTESIS: PAGEREF _Toc263600602 \h 6-MODELO MATEMATICO: PAGEREF _Toc263600604 \h 64. DISEÑO DE LA PRÁCTICA PAGEREF _Toc263600605 \h 6-HOJA DE DATOS. PAGEREF _Toc263600608 \h 7-EQUIPO Y MATERIALES: PAGEREF _Toc263600609 \h 7-DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: PAGEREF _Toc263600610 \h 85. REALIZACION DE LA PRÁCTICA PAGEREF _Toc263600612 \h 9-Mediciones: PAGEREF _Toc263600613 \h 9-OBSERVACIONES: PAGEREF _Toc263600615 \h 106. ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS: PAGEREF _Toc263600617 \h 10-Cálculos PAGEREF _Toc263600618 \h 10-Graficas PAGEREF _Toc263600620 \h 127. DISCUSION Y CONCLUSIONES: PAGEREF _Toc263600622 \h 128. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES: PAGEREF _Toc263600623 \h 139. REFERENCIAS PAGEREF _Toc263600624 \h 13<br />1. OBJETIVOS: <br />- Determinar experimentalmente los perfiles de temperatura en hierro y aluminio. <br />- obtener de manera experimental la conductividad térmica de diversos metales, en este caso, bronce. <br />2. FUNDAMENTO TEORICO:<br />Transferencia de calor , en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.<br />La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/ (K · m). También se lo expresa en cal/(s· °K· cm)<br />La inversa de la conductividad térmica es la resistencia térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.<br />Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, incrementándose su movimiento. La conducción de calor que a nivel macroscópico puede modelizarse mediante la ley de Fourier, a nivel molecular se debe a la interacción entre las moléculas que intercambian energía cinética sin producir movimientos globales de materia. Por tanto la conducción térmica difiere de la convección térmica en el hecho de que en la primera no existen movimientos macroscópicos de materia, que si ocurren en el segundo mecanismo. Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor mediante conducción térmica, mientras que la convección térmica en general sólo resulta posible en líquidos y gases. De hecho los sólidos transfieren calor básicamente por conducción térmica, mientras que para gradientes de temperatura importante los líquidos y los gases transfieren la mayor parte del calor por convección.<br />La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los polímeros, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío bajo.<br />En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios (ver termo), y se disponen en configuraciones con poca área de contacto..<br />La tabla que se muestra a continuación se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica(k) caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras. Es una propiedad intrínseca de cada material que varía en función de la temperatura a la que se efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.<br />-FENOMENO FISICO SIMPLIFICADO:<br />Conducción de Calor de una Barra Metálica <br />De la experiencia cotidiana observamos que si se sujeta el extremo de una barra metálica, como por ejemplo una cuchara, y se coloca el otro en una llama, el extremo que se sostiene se calienta de a poco, aunque no esté en contacto directo con la llama. El calor llega al extremo más frío por conducción a través del material. A nivel atómico, los átomos de las regiones más calientes tienen en promedio más energía cinética que sus vecinos más fríos, así que los empujan y les dan algo de su energía. Los vecinos empujan a sus vecinos, continuando así a través del material. Los átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero la energía sí se propaga. <br />La mayor parte de los metales usan otro mecanismo más efectivo para conducir calor. Dentro del metal, algunos electrones pueden abandonar sus átomos padres y vagar por la red cristalina. Estos electrones “libres” pueden llevar energía rápidamente de las regiones más calientes del metal a las más frías. Es por ello que los metales que son buenos conductores de la electricidad generalmente son también buenos conductores del calor. <br />Sólo fluye calor entre regiones que están a diferentes temperaturas, y la dirección del flujo siempre es de la temperatura más alta, TH, a la más baja, TC. Si se transfiere una cantidad de calor dQ en un tiempo dt, la razón de flujo de calor, H, es dQ/dt, y se la llama corriente de calor. Introduciendo una constante de proporcionalidad k, llamada conductividad térmica del material, para una barra de longitud L y área transversal A, tenemos:<br />H=dQdt=kATH-TcL<br />Para ello, la barra tendría que estar aislada de forma de no transferir calor por sus lados al medio circundante. Si la temperatura varía de manera no uniforme a lo largo de la varilla conductora, introduciendo una coordenada x a lo largo de la barra y generalizando el gradiente de temperatura como dT/dx, entonces la corriente de calor es:<br />H=dQdt=kAdTdx<br />El signo negativo indica que el calor siempre fluye en la dirección de temperatura decreciente.<br />-HIPOTESIS:<br />Se pretende por medio de la realización de esta práctica obtener el valor de k para el bronce y el perfil de temperatura para hierro y aluminio.<br />-MODELO MATEMATICO:<br />La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección. <br />dQxdt=-kA∂T∂x<br />Donde:<br /> <br />dQxdt Es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x. <br />k Es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica. <br />T Es la temperatura. <br />t El tiempo. <br />Q/t= m LV <br />Q= Transferencia de calor <br />T= Tiempo <br />LV= Calor de vaporización<br />4. DISEÑO DE LA PRÁCTICA<br />-VARIABLES Y PARAMETROS<br />Las variables necesarias para la determinación del perfil de temperatura son las alturas de los puntos y la temperatura tomada a la altura a la que se tomo.<br />Para la conductividad térmica del bronce es necesario conocer la densidad de la acetona, el tiempo que tarda en destilarse un volumen determinado de acetona, la longitud del tubo y el área de sección transversal<br />-HOJA DE DATOS.<br />Aluminioh (cm)T (ºC) <br />Hierroh (cm)T (ºC) <br />-EQUIPO Y MATERIALES:<br />-Tubos de metal aislados (Aluminio, Hierro y Bronce) <br />-Plancha<br />-Matraz bola<br />-Intercambiador de calor<br />-Matraz Erlenmeyer<br />-Vaso de precipitados<br />-Soporte universal<br />-Pinzas<br />-Acetona<br />-DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:<br />Para perfiles de temperatura, se colocaron los 2 tubos aislados en una plancha, el aislante de los tubos contiene 5 orificios separados a diferentes alturas del tubo. Con un termómetro infrarrojo se toma la temperatura en las diferentes alturas del tubo y se mide la altura de separación entre ellos.<br />Para la práctica de medición de la conductividad térmica La barra metálica se coloca en posición vertical, el extremo inferior se calienta con vapor del agua en ebullición, el extremo superior se pone en contacto con un líquido volátil en ebullición. De este modo, ambos extremos de la barra mantienen su temperatura invariable durante todo el proceso de medida mientras las sustancias en contacto permanezcan en estado líquido.<br />El vapor de agua se escapa por un tubo vertical, que es refrigerado con agua fría. Parte del vapor se condensa y regresa al depósito inferior. <br />La barra metálica en posición vertical, se envuelve con material aislante excepto por sus extremos, para evitar las pérdidas de calor por su superficie lateral. <br />El extremo inferior, se calienta con vapor de agua a TA=100º C, la barra conduce el calor hacia el extremo superior que está en contacto con un líquido volátil a su temperatura de ebullición TB. El vapor sale por un tubo curvado que se refrigera con agua fría, el vapor se condensa y líquido resultante se acumula en un tubo graduado, que mide el volumen de líquido que se condensa a medida que transcurre el tiempo.<br />A partir de la medida de volumen de liquido volátil condensado durante un determinado tiempo, se obtiene el valor de la conductividad térmica de la barra metálica. <br />5. REALIZACION DE LA PRÁCTICA<br />-Mediciones:<br />Perfiles de temperatura:<br />Aluminioh (cm)T (ºC)01903807.547.41237.617.534.222.533.6<br />Hierroh (cm)T (ºC)01903.560.6835.612.534.618.534.223.532.2<br />Estimación de k para el bronce <br />Volumen de acetona condensado (V)= 9ml <br />Longitud del tubo de bronce (L)= 10 cm <br />Diámetro del tubo (D)= 2.4 cm <br />Área (A)= 4.52 cm2<br />Densidad de la acetona (ρ)= 0.79 g/ml <br />T1= 94.6 °C <br />T2= 77.6 °C <br />LV= 524 x 103 J/Kg <br />-OBSERVACIONES:<br />-Asegurarse de que el equipo este bien ensamblado.<br />6. ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS:<br />Por medio de los datos obtenidos en ambas graficas se procede a realizar los cálculos necesarios para obtener el coeficiente de conductividad térmica del bronce y obtener las graficas correspondientes al hierro y aluminio.<br />-Cálculos<br />Coeficiente de conductividad térmica<br />V=mp<br />m=ρVm=7.11gr<br />Q=mLV<br />Q=-kAT2-T1L<br />mLV=-kAT2-T1L<br />k=mLVLAT1-T2<br />k=7.11gr125.155calgr10cm4.52cm2367.6°K-350.6°K410s<br />k=0.2824calcm °K s<br />k=118.156W°C m<br />-Graficas<br />Perfiles de temperatura<br />7. DISCUSION Y CONCLUSIONES:<br />Por medio de este procedimiento experimental podemos conocer el coeficiente de conductividad térmica de un material como fue en este caso el bronce, así también el perfil de temperatura del hierro y el aluminio mediante graficas.<br />8. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES:<br />*Tener un mayor orden en el manejo del equipo y en la toma de las mediciones.<br />9. REFERENCIAS<br />http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/barra/barra.html<br />http://html.rincondelvago.com/conduccion-del-calor.html<br />http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica<br />Fenómenos de transporte, Byron Bird, editorial Reverte.<br />