Transfererencia de calor ssdessda (4).pdf
- 1. Física TRANSFERENCIADE CALOR Universidad César Vallejo Facultad de Ingeniería y Arquitectura Autores: Huamani Mechato Jazmin Juarez Suarez Andres Docente: Mg. Raymundo García Carlos Alberto
- 2. La transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de energía que puede ocurrir entre cuerpos, como resultado de una diferencia de temperatura. La ciencia de la transferencia de calor no sólo trata de explicar cómo puede ser transferida la energía calorífica, sino también trata de predecir la rapidez a la que se realizará este intercambio bajo ciertas condiciones especificadas. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN
- 3. FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS Calor El calor es una forma de energía que se transfiere entre sistemas o cuerpos debido a una diferencia de temperatura. Se mueve siempre del área de mayor temperatura al área de menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico. La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional (SI) es el joule (J). Otra unidad común es la caloría (cal), donde 1 cal = 4.184 J. Temperatura Es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en una sustancia. Cuantifica el grado de agitación térmica de las partículas, como átomos y moléculas, y es una propiedad fundamental que determina la dirección del flujo de calor entre cuerpos en contacto térmico. Energía térmica Es la suma de la energía cinética y la energía potencial de las partículas microscópicas (átomos y moléculas) dentro de un objeto o sistema. Esta energía está relacionada con la temperatura y la fase (sólido, líquido, gas) del material Equilibrio Térmico El equilibrio térmico es un concepto fundamental en la termodinámica que describe la condición en la cual dos o más sistemas en contacto térmico ya no intercambian energía térmica. En otras palabras, se dice que los sistemas están en equilibrio térmico cuando han alcanzado la misma temperatura y, por lo tanto, no hay flujo neto de calor entre ellos.
- 5. Transferencia de calor por conducción Es el proceso de transferencia de calor dentro de un cuerpo o entre cuerpos en contacto directo, debido a una diferencia de temperatura. Este mecanismo de transferencia de calor ocurre sin movimiento macroscópico del material, es decir, la energía térmica se propaga a través de la vibración y colisión de partículas microscópicas (átomos y moléculas) en el medio. Este tipo de transmisión es característico de los sólidos, ya que los líquidos conducen muy mal y los gases prácticamente no conducen. Este proceso se rige por la Ley de Fourier.
- 6. LEYDEFOURIER
- 7. CONDUCTIVIDADTERMICA La conductividad térmica es una propiedad de ciertos materiales capaces de transmitir el calor, es decir, permitir el paso de la energía cinética de sus moléculas a otras sustancias adyacentes. Se trata de una magnitud intensiva, inversa a la resistividad térmica El Sistema Internacional de Unidades El Sistema Inglés El Sistema Técnico o MTS
- 8. En los gases, la conductividad térmica es baja porque las moléculas están muy separadas, lo que limita la eficiencia de la transferencia de calor, esta transferencia depende del movimiento libre y la velocidad de las moléculas. CONDUCTIVIDADTERMICA La conductividad térmica es una propiedad de ciertos materiales capaces de transmitir el calor, es decir, permitir el paso de la energía cinética de sus moléculas a otras sustancias adyacentes. Se trata de una magnitud intensiva, inversa a la resistividad térmica
- 9. La conductividad térmica es una propiedad de ciertos materiales capaces de transmitir el calor, es decir, permitir el paso de la energía cinética de sus moléculas a otras sustancias adyacentes. Se trata de una magnitud intensiva, inversa a la resistividad térmica CONDUCTIVIDADTERMICA En los sólidos, la conductividad térmica es alta debido a la proximidad y orden de las moléculas o átomos, lo que permite una transferencia de calor eficiente a través de vibraciones en la red cristalina y, en los metales, el movimiento de electrones libres.
- 11. Aislante térmico Conductor térmico
- 12. El aire es un mal conductor El metal es un buen conductor Ejemplo
- 13. Problema de Conducción Térmica Una barra de aluminio (KAI = 205 W/mK) de 50 cm de longitud tiene un diámetro de 8cm. La temperatura en sus extremos es de 100°C y 20 °C respectivamente. Contesta las siguientes preguntas: a) Determina la rapidez del fluido de calor.
- 14. Problema de Conducción Térmica Una barra de aluminio (KAI = 205 W/mK) de 50 cm de longitud tiene un diámetro de 8cm. La temperatura en sus extremos es de 100°C y 20 °C respectivamente. Contesta las siguientes preguntas: a) Determina la rapidez del fluido de calor.
- 15. Esta fuerza extraña puede deberse a un gradiente de densidad, como en la convección natural, o debido a una diferencia de presión generada por una bomba o un ventilador, o posiblemente a una combinación de los dos. La transferencia de calor por convección depende de la densidad, viscosidad y velocidad del fluido así como de sus propiedades térmicas (calor específico y conductividad térmica). TRANSFERENCIADECALORPORCONVECCIÓN La transferencia de calor por convección consiste de dos mecanismos los cuales operan simultáneamente. El primer mecanismo es debido al movimiento molecular, el mismo que en la transferencia debido a conducción. El segundo mecanismo es la transferencia de energía debido al movimiento macroscópico de “paquetes” del fluido. El movimiento del fluido es el resultado de paquetes de líquido, cada uno de los cuales consiste en un gran número de moléculas, que se mueven en virtud de una fuerza externa.
- 16. LEYDEENFRIAMIENTODENEWTON A pesar de la complejidad de la convección , se observa que la tasa de transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa convenientemente por la ley de enfriamiento de Newton , que establece que: “La tasa de pérdida de calor de un cuerpo es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y sus alrededores, siempre que la diferencia de temperatura sea pequeña y la naturaleza de la superficie radiante permanezca igual”. Unidades de la tasa de transferencia de calor por convección en el SI:
- 18. Se utiliza un medio externo, tal como un ventilador o una bomba, para acelerar el paso del flujo del fluido sobre la cara del sólido. El movimiento rápido de las partículas de fluido sobre la cara del sólido maximiza el gradiente de temperatura y aumenta la tasa de intercambio de calor. Se clasifica en de dos formas: Interna: Se da cuando el fluido se encuentra atrapado en un objeto sólido que lo mantiene concentrado, sin la opción de poder expandir su energía. Lo que causa su elevación rápida de temperatura y posterior evaporación. CONVECCIÓNFORZADA Externa: En esta el fluido o líquido no encuentra resistencia física para expandir su energía, causando que la alta o baja temperatura se extienda indefinidamente. La diferencia entre estas convecciones solo radica en su flujo de conductividad, ya que ambos procesos son independientes.
- 19. CONVECCIÓNNATURAL(LIBRE) La convección natural, es un mecanismo, o tipo de transporte de masa y calor , en el que el movimiento del fluido se genera solo por diferencias de densidad en el fluido que se producen debido a gradientes de temperatura. En otras palabras, los componentes más pesados (más densos) caerán, mientras que los componentes más livianos (menos densos) se elevarán, lo que provocará un movimiento de fluido a granel. Sólo puede ocurrir en un campo gravitacional o en presencia de otra aceleración adecuada.
- 20. CORRELACIONES La mayoría de las correlaciones de transferencia de calor en convección natural se basan en mediciones experimentales y los ingenieros a menudo usan números característicos adecuados para describirla.
- 21. Es el coeficiente de transferencia de calor, que se define como la relación entre la energía térmica que se convence al fluido y la energía térmica conducida dentro del fluido. Cuando Nu es igual a 1, la transferencia de calor se realiza por conducción pura ELNUMERODENUSSELT donde: h = coeficiente de transferencia convectiva L = longitud k = conductividad térmica Por lo tanto, el número de Nusselt representa la mejora de la transferencia de calor a través de una capa de fluido como resultado de la convección en relación con la conducción a través de la misma capa de fluido.
- 22. Problema de Convección Térmica En un patio de secado para café, que tiene dimensiones de 30m x 30m, en un día caluroso, el ambiente se encuentra a 30°C у la superficie del patio a 42°C, con una velocidad del viento de 10km/h, se tiene un coeficiente convectivo(h) sobre la superficie del patio de 400W/m²K ¿Cuánto calor por convección se emite desde la superficie del patio? 30m 30m Ts=42°C T∞=30°C
- 23. Problema de Convección Térmica En un patio de secado para café, que tiene dimensiones de 30m x 30m, en un día caluroso, el ambiente se encuentra a 30°C у la superficie del patio a 42°C, con una velocidad del viento de 10km/h, se tiene un coeficiente convectivo(h) sobre la superficie del patio de 400W/m²K ¿Cuánto calor por convección se emite desde la superficie del patio? Ts=42°C T∞=30°C h=400W/m²K A=900m² Datos: Solución: q=hA(Ts-T∞) = 400W/m²K*900m²(42-30)°C q = 4320000W q =4,32MW
- 24. RADIACIÓN Es la transferencia de energía en forma de ondas electromagnéticas, emitidas por todos los cuerpos debido a su temperatura. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación térmica no requiere un medio material para su propagación, permitiendo la transferencia de calor a través del vacío Todos los cuerpos emiten radiación Viajan a la velocidad de la luz
- 25. Si un cuerpo absorbe mas radiación de la que emite, su temperatura aumentará La energía que transporta las ondas se libera cuando un cuerpo la absorve
- 26. Los objetos con baja emisividad se comportan como ESPEJOS (reflejan radiación de otros cuerpos) EMISIVIDAD Es una propiedad importante de los materiales que describe su capacidad para emitir radiación térmica. 𝜀 =1: Un material con emisividad igual a 1 es un cuerpo negro perfecto y emite la máxima radiación posible a una determinada temperatura. 𝜀 =0: Un material con emisividad igual a 0 no emite radiación térmica. Los cuerpos con emisiones entre 0 y 1 se llaman cuerpos grises y son los objetos reales. https://www.youtube.com/watch?v=5SiBpxA- ptM&ab_channel=BOHMANC.A. 0.95
- 28. ELCUERPONEGRO Un absorbedor perfecto se llama cuerpo negro (no significa que sea de color negro), que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie y su emisividad es igual a uno. No se conoce ningún objeto así, aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97% de la radiación incidente. En teoría, un cuerpo negro sería también un emisor perfecto de radiación, y emitiría a cualquier temperatura la máxima cantidad de energía disponible.
- 29. LEYDESTEFAN-BOLTZMANN Esta ley permite el cálculo de la cantidad de radiación emitida por una superficie, simplemente a partir del conocimiento de la emisividad y temperatura del cuerpo. La potencia de radiada por unidad de área es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Donde 𝐸 es el calor emitido por unidad de tiempo y área (W/m2), σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5.67·10-8 W/m2K4), 𝑇𝑠 es la temperatura de la superficie en K y ε es la emisividad del cuerpo
- 30. LEYDESTEFAN-BOLTZMANN Esta ley permite el cálculo de la cantidad de radiación emitida por una superficie, simplemente a partir del conocimiento de la emisividad y temperatura del cuerpo. La potencia de radiada por unidad de área es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
- 31. Si la superficie está expuesta al ambiente, ésta también emite de acuerdo a la ley de de Stefan-Boltzmann y la cantidad neta de calor transferida desde la superficie será: LEYDESTEFAN-BOLTZMANN Esta ley permite el cálculo de la cantidad de radiación emitida por una superficie, simplemente a partir del conocimiento de la emisividad y temperatura del cuerpo. La potencia de radiada por unidad de área es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. donde 𝑇𝑎𝑚𝑏 es la temperatura ambiente
- 32. LONGITUDDEONDA( ) Distancia entre crestas de una onda electromagnética También esta relacionada a la temperatura del objeto que la emite Esta directamente relacionada con la frecuencia de la onda
- 33. LONGITUDDEONDA( ) Distancia entre crestas de una onda electromagnética También esta relacionada a la temperatura del objeto que la emite Esta directamente relacionada con la frecuencia de la onda Entre más corta sea la longitud de onda mayor será la energía que transporta
- 35. LEYDEDESPLAZAMIENTODEWIEN Es una ley fundamental en la física que describe la relación entre la temperatura de un cuerpo negro y la longitud de onda en la que se emite la mayor parte de su radiación. La longitud de onda (𝜆max ) en la que un cuerpo negro emite su máxima radiación es inversamente proporcional a su temperatura absoluta (𝑇) 𝜆max es la longitud de onda de la radiación máxima (m), 𝑇 es la temperatura absoluta del cuerpo (K), 𝑏 es la constante de desplazamiento de Wien (m*K)
- 36. FENÓMENOSDEINTERACCIÓNDELA RADIACIÓNCONLAMATERIA Absorción: Es el proceso mediante el cual una parte de la radiación incidente es captada por el material y convertida en otras formas de energía, como calor. Reflexión: Es el proceso mediante el cual una parte de la radiación incidente es redirigida lejos de la superficie del material. Transmisión: Es el proceso mediante el cual una parte de la radiación incidente atraviesa el material.
- 37. La reflectancia ρ es la relación FENÓMENOSDEINTERACCIÓNDELA RADIACIÓNCONLAMATERIA La Irradiación incidente es igual a la radiación reflejada + la radiación absorbida + la radiación emitida. la absortancia α es la relación La transmitancia τ es la relación Por lo tanto:
- 38. Problema de Radiación Térmica Se deja una plancha de 1000 W sobre la tabla de planchar, con su base al aire, que está a 20 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección natural entre la superficie de la base y el aire que la rodea es 35 W/m². °C. Si la emisividad de la base es 0.6, y su área es 0.02 m², calcule la temperatura de la base de la plancha.
- 39. Problema de Radiación Térmica Se deja una plancha de 1000 W sobre la tabla de planchar, con su base al aire, que está a 20 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección natural entre la superficie de la base y el aire que la rodea es 35 W/m². °C. Si la emisividad de la base es 0.6, y su área es 0.02 m², calcule la temperatura de la base de la plancha.
- 40. GRACIAS