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Transferencia de calor

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  • 1. Transferencia de calor Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de FísicaSouthern Polytechnic State University
  • 2. LA TRANSFERNCIA DE CALOR seminimiza mediante múltiples capas derevestimiento beta. Este y otros materialesaisladores protegen la nave espacial decondiciones 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 conducciónConducción es el proceso por el que la energía térmica setransfiere mediante colisiones moleculares adyacentesdentro de un material. El medio en sí no se mueve. Conducción Dirección De caliente a frío.
  • 5. Transferencia de calor por convecciónConvección es el proceso por el quela energía térmica se transfieremediante el movimiento masivo realde un fluido calentado.El fluido calentado se eleva y luegose sustituye por fluido más frío, lo Convecciónque produce corrientes deconvección.La geometría de las superficiescalentadas (pared, techo, suelo) afectasignificativamente la convección.
  • 6. Transferencia de calor por radiación Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas. Radiación Atómico Sol ¡No se requiere medio!
  • 7. Tipos de transferencia de calorConsidere la operación de una cafetera común:Piense en cómo setransfiere calor por: ¿Conducción? ¿Convección? ¿Radiación?
  • 8. Corriente caloríficaLa corriente calorífica H se define como lacantidad de calor Q transferida por unidad detiempo  en la dirección de mayor temperaturaa menor temperatura. vapor hielo Q H ( J / s)  Unidades típicas son: J/s, cal/s y Btu/h
  • 9. Conductividad térmicaLa conductividad térmica k de unmaterial es una medida de su t1 t2habilidad para conducir calor. H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m2) Dt = diferencia de temperatura Dt = t2 - t1 L = grosor del material kADt Q QL H  k Unidades  J  L A Dt s  m  C
  • 10. Las unidades SI para conductividadCaliente Frío QL k A Dt Para cobre: k = 385 J/s m C0En unidades SI,this means that mediciones Taken literally, por lo general for a 1-m lengthpequeñas whose cross y área is 1 deben of copper de longitud L section A se m2 andconvertir a points y metros cuadrados, whose endmetros differ in temperature by 1 C0,respectivamente, antes at the rate of 1fórmulas. heat will be conducted de sustituir en J/s.
  • 11. Unidades antiguas de conductividad Dt = 1 F0 Unidades antiguas, todavía 1h activas, usan mediciones A=1 ft2 comunes para área en ft2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y Q=1 Btu cantidad de calor en Btu. L = 1 in. k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0Tomado literalmente, esto significa que, para unaplaca de vidrio de 1 in de espesor, cuya área es 1ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0,el calor se conducirá a la tasa de 5.6 Btu/h.
  • 12. Conductividades térmicasA continuación se dan ejemplos de los dos sistemas deunidades para conductividades térmicas de materiales: Material J/s  m  C o Btu  in/ft 2  h  F0 Cobre: 385 2660Concreto o 0.800 5.6 vidrio:Tablero de 0.040 0.30 corcho:
  • 13. Ejemplos de conductividad térmicaComparación de corrientes caloríficas para condicionessimilares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0 Aluminio: 2050 kJ/s 4980 Btu/h 3850 kJ/s 9360 Btu/h Cobre: Concreto o 8.00 kJ/s 19.4 Btu/h vidrio: Tablero de 0.400 kJ/s 9.72 Btu/h corcho:
  • 14. 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 m 2 200C 120C kADt kADt A =1h Q H  ; Q  L L Q = ¿? (0.8 J/m  s  C0 )(12 m 2 )(8 C0 )(3600 s)Q Dt = t2 - t1 0.0150 m = 8 C0 0.015 m 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? Nota:  H    H   -200C ti 250C  A corcho  A concretok1 ti  (200 C)    k2  250 C - ti    H  A L1 L2 k1 (ti  20 C) k2 (25 C - ti ) 0 0 Flujo  estacionario L1 L2 8 cm 12 cm
  • 16. Ejemplo 2 (Cont.): Encontrar la temperatura de interfaz para una pared compuesta. ti k1 (ti  20 C) k2 (25 C - ti ) 0 0 -200C 250C  L1 L2 HAl reordenar factores se obtiene: A k1L 2 (ti  200 C)  (250 C - ti ) Flujo estacionario k2 L1 8 cm 12 cm k1L2 (0.04 W/m  C0 )(0.12 m)   0.075 k2 L1 (0.8 W/m  C )(0.08 m) 0
  • 17. Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene: ti(0.075)(ti  20 C)  (25 C - ti ) 0 0 -200C 250C 0.075ti + 1.50C = 250C - ti H De donde: ti = 21.90C AConocer la temperatura de interfaz Flujo estacionarioti permite determinar la tasa de flujode calor por unidad de área, H/A. 8 cm 12 cm La cantidad H/A es igual para corcho o concreto: kADt H k Dt Q H  ;   L A L
  • 18. Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constant H/A es constante en el tiempo, de modo ti que diferentes k producen diferentes Dt -200C 250CCorcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 HConcreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0 A kADt H k Dt Q Flujo H  ;  estacionario  L A L 8 cm 12 cm Dado que H/A es el mismo, elija sólo concreto: H k Dt (0.8 W/mC0 )(3.1 C0 ) H    20.7 W/m 2 A L 0.12 m A
  • 19. Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constant H ti  20.7 W/m 2 -200C 250C A HCorcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 AConcreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0 Flujo estacionarioNote que 20.7 Joules de calor por 8 cm 12 cmsegundo pasan a través de la paredcompuesta. Sin embargo, elintervalo de temperatura entre las Si A = 10 m2, elcaras del corcho es 13.5 veces más flujo de calor en 1grande que para las caras del h sería ______ 745 kWconcreto.
  • 20. RadiaciónLa tasa de radiación R es la energía emitida porunidad de área por unidad de tiempo (potenciapor unidad de área).Tasa de radiación Q P P R  R   es T 4 (W/m2): A A A Emisividad, e : 0>e >1 Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
  • 21. Ejemplo 3: Una superficie Encuentre esférica de 12 cm de radio se potencia calienta a 627 0C. La emisividad radiada es 0.12. ¿Qué potencia se radia? A  4 R 2  4 (0.12 m) 2 A A = 0.181 m2 T = 627 + 273; T = 900 K 6270C P  es AT 4P  (0.12)(5.67 x 10 W/mK )(0.181 m )(900 K) -8 4 2 4 Potencia radiada desde la P = 808 W superficie:
  • 22. Resumen: Transferencia de calorConducción: La energía térmica setransfiere mediante colisionesmoleculares adyacentes dentro de unmaterial. 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 laenergía térmica se transfieremediante ondas electromagnéticas.
  • 23. Resumen de conductividad térmicaLa conductividad térmica k de un t1 t2material es una medida de suhabilidad para conducir calor. H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m2) Dt = diferencia de temperatura Dt = t2 - t1 L = espesor del material kADt Q QL H  k Unidades  J  L A Dt s  m  C
  • 24. Resumen de radiaciónLa tasa de radiación R es la energía emitida por unidad deárea por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).Rate of Radiation R  Q  P P R   es T 4 (W/m2): R A A A Emisividad, e : 0>e >1 Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
  • 25. Resumen de fórmulas Q kADt QLH  k Unidades  J  L A Dt s  m  C Q kADt H k DtH  ;  P  es AT 4  L A L Q P P R  R   es T 4 A A A
  • 26. CONCLUSIÓN:Transferencia de calor

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