TRANSFERENCIA DE CALOR

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.

Transmisión de Calor

La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor.

La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

Transferencia de calor por conducción

Conducción Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio estacionario -que puede ser un sólido- cuando existe una diferencia de temperatura.

Conducción Dirección

De caliente a

frío.

Ley de Fourier

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De forma vectorial:

q : es el vector de flujo de calor por unidad de superficie (W m-2).K : es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m-1 K-1).∆T : es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material ( K m-1).

Transferencia de calor por convección

Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.

ConvecciónEl fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección.

La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.

Transferencia de calor por radiación

Radiación

Sol

Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.

Atómico

¡No se requiere medio!

Tipos de Calor por Radiación

Radiación de radio• Es un tipo de campo electromagnético variable, es decir,

una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro

Tipos de Calor por RadiaciónLa radiación infrarroja, o radiación IR • Es un tipo de radiación electromagnética y térmica, de mayor

longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas. Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas. La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que 0 Kelvin, es decir, −273,15 grados Celsius (cero absoluto).

Calor por Radiación

Ejemplos:• La radiación infrarroja de un radiador doméstico

común o de un calefactor eléctrico es un ejemplo de radiación térmica.

• La luz emitida por una lámpara incandescente. La radiación térmica se produce cuando el calor del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética.

Tipos de transferencia de calor

Considere la operación de una cafetera común:

Piense en cómo se transfiere calor por:

¿Conducción?

¿Convección?

¿Radiación?

Corriente calorífica

vapor hielo

( / )Q

H J s

La corriente calorífica H se define como la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t en la dirección de mayor temperatura a menor temperatura.

Unidades típicas son: J/s, cal/s y Btu/h

H = corriente calorífica (J/s)

A = área superficial (m2)Dt = diferencia de temperaturaL = grosor del material

Conductividad térmica

t1 t2

Dt = t2 - t1

La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

QLk

A t

Q kA t

HL

Cms

JUnidades

Las unidades SI para conductividad

Caliente Frío QLk

A t

Para Cobre: k= 385 J/s m C m C0 Para Cobre: k= 385 J/s m C m C0

En unidades SI, por lo general mediciones pequeñas de longitud L y área A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en fórmulas.

En unidades SI, por lo general mediciones pequeñas de longitud L y área A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en fórmulas.

Unidades antiguas de conductividad

Tomando literalmente, esto significa que, para una placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya área es 1 ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0, el calor se conducirá a la tasa de 5.6 Btu/h.

Dt = 1 F0

L = 1 in.

A=1 ft2

Q=1 Btu

= 1 t h

Unidades antiguas, todavía activas, usan mediciones comunes para área en ft2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y cantidad de calor en Btu.

k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0

Conductividades térmicas

A continuación se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades

térmicas de materiales:

Cobre:

Concreto o vidrio:

Tablero de corcho:

385 2660

0.800 5.6

0.040 0.30

MaterialoJ/s m C 2 0Btu in/ft h F

Ejemplos de conductividad térmica

Aluminio:

Comparación de corrientes caloríficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0

Cobre:

Concreto o vidrio:

Tablero de corcho:

2050 kJ/s 4980 Btu/h

3850 kJ/s 9360 Btu/h

8.00 kJ/s 19.4 Btu/h

0.400 kJ/s 9.72 Btu/h

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.

200C 120C

Dt = t2 - t1 = 8 C00.015

m

AQ = ¿?

t = 1 h

A = (2 m)(6 m) = 12 m2

; Q kA t kA t

H QL L

0 2 0(0.8 J/m s C )(12 m )(8 C )(3600 s)

0.0150 mQ

Q = 18.4 MJQ = 18.4 MJ

Radiación

La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).

Q PR

A A Tasa de radiación (W/m2):

Emisividad, e : 0 > e > 1Emisividad, e : 0 > e > 1

Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4

Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4

4PR e T

A

Ejemplo 2: Una superficie esférica de 12 cm de radio se calienta a 627 0C. La emisividad es 0.12. ¿Qué potencia se radia?

2 24 4 (0.12 m)A R A = 0.181 m2

T = 627 + 273; T = 900 K

4P e AT-8 4 2 4(0.12)(5.67 x 10 W/mK )(0.181 m )(900 K)P

P = 808 WP = 808 WPotencia radiada desde la superficie:

A

6270C

Encuentre potencia radiada

Resumen: Transferencia de calor

Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado.

Conducción: La energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.

Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.

Resumen de conductividad térmica

H = corriente calorífica (J/s)A = área superficial (m2)Dt = diferencia de temperaturaL = espesor del material

t1 t2

Dt = t2 - t1

La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

QLk

A t

Q kA t

HL

Cms

JUnidades

Resumen de radiación

Rate of Radiation (W/m2):

La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).

Q PR

A A

Emisividad, e : 0 > e > 1Emisividad, e : 0 > e > 1

Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4

Constante de Stefan-Boltzman: s = 5.67 x 10-8 W/m·K4

4PR e T

A

R

GRACIAS!!!