TRANSMISIN DEL CALOR CONDUCCIN CONVECCIN RADIACIN 1 Mecanismos

TRANSMISIÓN DEL CALOR • CONDUCCIÓN • CONVECCIÓN • RADIACIÓN 1

Mecanismos de transmisón de calor Conducción: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material. Convección: transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia. Convección natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura. Convección forzada: la causa del mezclado es un agitador mecánico o una diferencia de presión (ventiladores, compresores. . . ) impuesta externamente. Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos. 2

CONDUCCIÓN La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos. Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre moléculas. http: //www. gcsescience. com/pen 5. htm 3

Conducción Ley de Fourier: determinación del flujo de calor (Estado estacionario) X Conductividad térmica (W·m-1·grado -1): calor que atraviesa en la dirección x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestos Gradiente de temperatura (grados/m): variación de la temperatura en la dirección indicada por x. Calor difundido por unidad de tiempo Superficie (m 2): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor Experimento virtual de conducción del calor http: //www. jhu. edu/~virtlab/conduct. htm 4

Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente k Malos conductores Buenos conductores La conductividad. . . pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción térmica cambia con el estado de agregación 5

EJEMPLO 1: CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana) Integración de la ecuación de Fourier Conductividad térmica Área A Espesor Calor transferido en el tiempo t http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/thermo/heatra. html 6

Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC respectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0. 25 W·m-1·K -1. Gradiente de temperaturas Tdentro Gradiente de temperaturas constante la temperatura varía linealmente Densidad de flujo Tfuera 0. 34 m Gradiente de temperaturas constante densidad de flujo constante xfuera xdentro 7

Resistencias térmicas Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción T 2 T 1 Conductividad Resistencia térmica en W-1·m 2·K Similitud con circuitos eléctricos x 8

Ejemplo. Resistencias en serie R 1 R 2 R 1 Resistencia equivalente = suma de resistencias Ejemplo Calcúlese la resistencia térmica de la pared de un refrigerador, formada por tres capas de material, cuyos espesores son, de dentro afuera 2 cm, 10 cm y 3 cm. Las conductividades térmicas de los tres materiales son, respectivamente, 0. 25, 0. 05 y 0. 20 W· m-1 ·K-1. W-1·m 2·K 10 2 3 (cm) Resistencias en serie W-1·m 2·K 9

EJEMPLO 2: CONDUCCIÓN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA T 2 r r b a T 1 http: //scienceworld. wolfram. com/physics/Cylinder. Heat. Diffusion. html 10

400 ºK 300 ºK 0. 5 10 cm 11

CONDUCCIÓN EN SUELO El suelo tiene una capacidad calorífica alta, entre 0. 27 y 0. 80 cal/g/ºC, lo que significa que es un buen acumulador de calor, y una baja conductividad térmica, que hace que la penetración del calor en el suelo sea lenta, al igual que su enfriamiento. Altura 10. 0 m 05: 00 08: 00 10: 00 12: 00 15: 00 18: 00 2. 40 m 1. 20 m 60 cm 30 cm 15 cm -2 cm -5 cm -15 cm 30 35 40 45 50 T (ºC) Perfiles en verano (datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física) 12

Calor específico Difusividad térmica m 2 s-1 13

Convección Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento. Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento Convección forzada 14

CONVECCIÓN • La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad. • Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye. • Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie. • El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso. http: //theory. uwinnipeg. ca/mod_tech/node 76. html http: //www. sunblock 99. org. uk/sb 99/people/KGalsgaa/convect. html 15

Ley de enfriamiento de Newton Coeficiente de convección Superficie de intercambio Temperatura superficial Temperatura del fluido libre T fluido libre Capa límite T T superficial 16

Valores típicos del coeficiente de convección 17

Perfiles de velocidad Distancia Velocidad Laminar Velocidad Turbulento 18

Perfiles de temperaturas T fluido libre Distancia (región de temperatura uniforme) Capa límite Distribución de temperaturas Superficie T superficie Temperatura Ley de Newton del enfriamiento 19

http: //orpheus. nascom. nasa. gov/~kucera/explore/lessons/convection. html 20

Viscosidad: propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la deformación Dentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de fricción entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan de esfuerzo cortante (“shearing stress”) y dependen del gradiente de velocidades del fluido. Gradiente de velocidad z A F Viscosidad dinámica (Pa · s=N·s/m 2) (1 Pa · s = 10 Poise) c+dc c 21

Viscosidad cinemática (m 2 s-1) Fluidos viscosos fricción entre capas, disipación energía cinética como calor aportación de energía para mantener el flujo Fluidos viscosos en régimen laminar fricción entre capas, disipación como calor existen intercambios de energía entre capas adyacentes de fluido 22

Flujo laminar y flujo turbulento Número de Reynolds Si Re < Re CRÍTICO Régimen laminar Si Re > Re CRÍTICO Régimen turbulento Superficie plana: Re CRÍTICO 5 10 -5 Valores típicos Conducto cilíndrico: Re CRÍTICO 2200 23

Atmósfera libre Dirección del flujo Gradientes horizontales de P y T, rotación terrestre 1 km Capa externa Dirección del flujo Condiciones superficiales y rotación terrestre Decenas de metros Capa superficial: flujos verticales prácticamente constantes Dirección del flujo Factores locales Subcapa agitada Geometría Aspereza Permeabilidad 24

RADIACIÓN X Y Z 25