Captulo 18. Transferencia de calorPresentacin PowerPoint dePaul E. Tippens, Profesor de FsicaSouthern Polytechnic State University 2007

LA TRANSFERNCIA DE CALOR se minimiza mediante mltiples capas de revestimiento beta. Este y otros materiales aisladores protegen la nave espacial de condiciones ambientales hostiles. (NASA)

Objetivos: Despus de terminar esta unidad, deber:Demostrar su comprensin de conduccin, conveccin y radiacin, y dar ejemplos.Resolver problemas de conductividad trmica con base en cantidad de calor, longitud de trayectoria, temperatura, rea y tiempo.Resolver problemas que involucran la tasa de radiacin y la emisividad de superficies.

Transferencia de calor por conduccinConduccin es el proceso por el que la energa trmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en s no se mueve.

Transferencia de calor por conveccinConveccin es el proceso por el que la energa trmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.ConveccinEl fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido ms fro, lo que produce corrientes de conveccin.La geometra de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la conveccin.

Transferencia de calor por radiacinRadiacin es el proceso por el que la energa trmica se transfiere mediante ondas electromagnticas.No se requiere medio!

Tipos de transferencia de calorConsidere la operacin de una cafetera comn:Piense en cmo se transfiere calor por:Conduccin?Conveccin?Radiacin?

Corriente calorficaLa corriente calorfica H se define como la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t en la direccin de mayor temperatura a menor temperatura.Unidades tpicas son: J/s, cal/s y Btu/h

Conductividad trmicaLa conductividad trmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

Las unidades SI para conductividadTaken 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 pequeas de longitud L y rea A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en frmulas.

Unidades antiguas de conductividadTomado literalmente, esto significa que, para una placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya rea es 1 ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0, el calor se conducir a la tasa de 5.6 Btu/h.Unidades antiguas, todava activas, usan mediciones comunes para rea en ft2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y cantidad de calor en Btu.k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0

Conductividades trmicasA continuacin se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades trmicas de materiales:

Ejemplos de conductividad trmicaComparacin de corrientes calorficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0

Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto. La superficie interior est a 20 0C y la superficie exterior a 12 0C. Cuntos joules de calor pasan a travs 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 m2Q = 18.4 MJ

Ejemplo 2: La pared de una planta congeladora est compuesta de 8 cm de tablero de corcho y 12 cm de concreto slido. La superficie interior est a -200C y la superficie exterior a +250C. Cul es la temperatura de la interfaz ti?Nota:

Ejemplo 2 (Cont.): Encontrar la temperatura de interfaz para una pared compuesta.Al reordenar factores se obtiene:

Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene:0.075ti + 1.50C = 250C - tiDe donde:ti = 21.90CConocer la temperatura de interfaz ti permite determinar la tasa de flujo de calor por unidad de rea, H/A.La cantidad H/A es igual para corcho o concreto:

Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante.H/A es constante en el tiempo, de modo que diferentes k producen diferentes DtCorcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0Concreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0Dado que H/A es el mismo, elija slo concreto:

Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constante.Note que 20.7 Joules de calor por segundo pasan a travs de la pared compuesta. Sin embargo, el intervalo de temperatura entre las caras del corcho es 13.5 veces ms grande que para las caras del concreto.Si A = 10 m2, el flujo de calor en 1 h sera ______745 kW

RadiacinLa tasa de radiacin R es la energa emitida por unidad de rea por unidad de tiempo (potencia por unidad de rea).Tasa de radiacin (W/m2):Emisividad, e : 0 > e > 1Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/mK4

Ejemplo 3: Una superficie esfrica de 12 cm de radio se calienta a 627 0C. La emisividad es 0.12. Qu potencia se radia?A = 0.181 m2 T = 627 + 273; T = 900 KP = 808 WPotencia radiada desde la superficie:

Resumen: Transferencia de calorConveccin es el proceso por el que la energa trmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.Conduccin: La energa trmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en s no se mueve.Radiacin es el proceso por el que la energa trmica se transfiere mediante ondas electromagnticas.

Resumen de conductividad trmicaLa conductividad trmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

Resumen de radiacin

Resumen de frmulas

CONCLUSIN: Captulo 18Transferencia de calor

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