Introducci n a La Tc Comp

7/21/2019 Introducci n a La Tc Comp

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COMPETENCIA ESPECÍFICA A

DESARROLLAR

Identificar cada uno de los tres mecanismosde TC en un proceso de la vida real,

reconocer las propiedades y parámetrosapropiados en las leyes que rigen elcomportamiento de estos fenómenos en cadauno de estos mecanismos y utilizar lametodología en el contenido procedimentalmostrado para la solución de los problemasde TC en situaciones elementales



ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

1. tender al contenido conceptual que se presenta en !o"er#!oint sobreeste primer capítulo $aciendo una revisión de los antecedentestermodinámicos considerandos en la ley de la conservación de laenergía

%. !resentar un proceso real en el cual se puedan definir los tres

mecanismos de TC y discutir en grupo sobre los parámetros ypropiedades incluidas en caso presentado.

&. 'evisar las tablas de las propiedades de los materiales que sepresentan en los problemas de TC. (iscusión sobre las característicasde estas magnitudes para considerar los me)ores materiales como

aislantes, optimización en su uso en problemas de TC y sobre el a$orrode energía.

*. nalizar los e)emplos presentados en el contenido conceptual y resolverproblemas donde se presente un mecanismo aislado y combinacionesde los tres mecanismos.



CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR

FORMAS DE ENERGÍA+ Trmica, mecánica, cinemática, potencial, elctrica, magntica,

química y nuclear. -a suma de estas energías se le llama “E”, energía tota !or "n#$a$ $e %a&a ”e”'

( ) Energía #nterna de un sistema suma de las formas de energías microscópicas relacionadas con laestructura y actividad molecular de un sistema/. Por "n#$a$ $e %a&a “"”'

Energía o *aor &en&#+e+ !arte de la energía interna asociada con la energía cintica de las molculas.

Energía o *aor atente. 0s la energía interna relacionada con la fase. -a fase gaseosa está en un mayornivel de energía interna que las fases líquida y sólida.

Energía "í%#*a 0s la energía interna asociada con los enlaces atómicos en una molcula.

Energía n"*ear . 0s la energía interna asociada con los enlaces en el interior del ncleo del átomo.

- ) " . P/ 2 0ntalpía por unidad de masa. 0l producto P/ es la energía $e 0"1o $e 0"#$o. 0s la energíanecesaria par empu)ar y mantener el flu)o de un fluido.

Caor e&!e*í0#*o. 0s la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa

de una sustancia. (epende de la manera en que se e)ecuta el proceso, 3C v4 a volumen constante o 3Cp4 a

presión constante.



(NIDADES DE LA ENERGÍA

-a unidad internacional de la energía es el )oule 5/ o el 6ilo )oule 165 2 1777 5/,

15oule 2 1 8.m 2 1 m%.6g9s%

0n el sistema ingls es la 3unidad trmica de energía4 :T;/ que es la energía necesaria

para elevar en 17< la temperatura de 1 lbm de agua a =7 7<. 1 :T; 2 1.7>>7>= 65 /.

?tra unidad de energía es 3la caloría4 1 caloría 2 *.1@=@ 5 /. Ae define como la energíanecesaria en 1 7C la temperatura de un gramo de agua a 1*.> 7C.

-a unidad de potencia es el "att 1 "att 2 1 )oule9s /. 1" 2 &.*1%1* :T;9$

-as unidades de temperatura son+ T 76 / 2 T 7C/ B %&.1>

!ara calores específicos en+ 6596g 7C o en 6596g 76 son idnticas ya que+ DT7C/ 2 DT76/.

1 "9m 7C 2 7.>@ :T;9$.ft.7<



REQUERIMIENTOS DE LA CONSERVACIÓN DE LAENERGÍA.

Para un volumen de Control (1a Ley de la Energía:

Conservación de la Energía), según base en “ t , la !ormulaes:

" un instante “ t :

SISTEMA

AlmacenadaSalidaGenerada Entra E E E E ••••

=−+

a s g e E E E E ••••

=−+

e E •

g

E

• s E

•

a E

•



75 EN (N INSTANTE t6

dt dU W Q =−

••

PARA (N SISTEMA ABIERTO DE FL(8OESTABLE :

0)2()2(

22

=−++++−+++

••••

W Q gz

v

vum gz

v

vum se ρ ρ



CALOR

E& a energía en tr9n&#to

$e+#$o a "na $#0eren*#a

$e te%!erat"ra&

Area

Calor

A

QQ ==

•

•

"

Longitud

Calor

L

QQ ==

•

•

´



A*t#/#$a$ %oe*"ar 3 at:%#*a' ;a3 "na $#0"&#:n $e energía

Conducción en dirección de 3E4a travs de un sólido o unfluido en estado estacionario

T1 F T%

T

T1

T%

- G

Le3 $e Fo"r#er

dx

dT k Q

x −=

•

=

→

22 m

W

mto

Watt

“x”DirecciónenGradiente=dx

dT

< ) Conductividad Trmica

constante del material/.

S#gno Negat#/o = 0l calor se transfiere enla dirección del descenso de la temperatura. x

Q•



BA8O CONDICIONES DE FL(8O ESTABLE'

Ha que

2 rea L

T T k

L

T T k Q x

2112" −=

−−=

•

L

T T

dx

dT 12 −

=

L

T k Q x

∆=

•

"

AQQ x x ⋅= ••

"

=

°=

mk

W

k metro

Watt k



Coe0#*#ente& $e *on$"*t#/#$a$ t2r%#*a >?@% 5Tabla comparativa de coeficientes de conductividad trmica de algunos materiales de uso comn.



Ta+a 4'4' Con$"*t#/#$a$ t2r%#*a $e /ar#o& %ater#ae&

J Mater#a Con$"*t#/#$a$ T2r%#*a >?@%'5

cero *#>@ Kierro 1.

gua 7,>@ -adrillo 7.@7 ire 7,7% -adrillo refractario 7.*#1.7>

lco$ol 7,1= -atón @1#11= lpaca %L,1 -itio &71.% luminio %7L,& Madera 7,1& mianto 7,7* Mercurio @&,:ronce 11=#1@= Mica Moscovita 7,%

Cinc 17=#1*7 8íquel >%,&Cobre &%.1#&@>.% ?ro &7@,%

Concreto 7.@7 !arafina 7,%1Corc$o 7,7*#7,&7 !lata *7=,1#*1@,0staNo =*,7 !lomo &>,7<ibra de vidrio 7,7&#7,7 Oidrio 7,=#1,7

Plicerina 7.%L !iel $umana 7.&



0)emplo I.1. Conducción en el tec$o de una casa

E8EMPLO. 0l tec$o de concreto de una casa mide * G = mts de 7.1> mts de espesor. -a

temperatura en el eGterior es de *77C y en el interior es de %>7C. -a 364 del concreto es de7.@ "9m6. a/ evale la razón de la transmisión de calor del tec$o. b/ 0l costo el dueNo de la

casa si se usa un aparato que mantiene esas condiciones del interior por @ $oras cuando la

energía tiene un costo de Q7.=L* el R".$r.

SOL(CIN. !ara mantenerse las condiciones del interior de la casa $ay que determinar la

transferencia de calor por conducción en el tec$o para conocer el costo de refrigeración.

SE AS(ME. Temperaturas son constantes durante las @$rs, se tienen condiciones

estacionarias de operación y propiedades constantes.

ES(EMA. = m

%>7C *77C * m

7.1> m



ANÁLISIS

-a transferencia de calor sobre el tec$o de área 2 = G * 2 %* m% es por conducción

a/ 0l calor transferido es+

b/ -a prdida de calor en @ $s y su costo es.

-a tarifa debe ser muc$o mayor ya que no se consideran las prdidas de calor a travs de

-as paredes

kww

m

K mw

L

T T kAQ

92.11920

15.0

)2540()24)(8.0(

0221

==

−=

−=

66.10$)694.0)(36.15(

36.15)8)(92.1(*

==

==∆=

kwhCosto

kwhhskwt QQ



La energía &e tran&%#te !or e %o/#%#ento go+a $e "n 0"#$o

Considerando un fluido sobre unaplaca caliente.

(istrib de vel. (istrib. Temp. uy/ Ty/

y uS T TS

0"#$o

T&

3

Pa*a *a#ente T& TG

Le3 $e NeHton $e en0r#a%#ento +

$ 2 Coeficiente de transferencia porconvección.

E 0"#$o 0"era $e a !a*a >a *#erta

$#&tan*#a5 t#ene *ara*terí&t#*a&

e&ta+e& $e ( 3 T '

•

Q

!)#$("%

2&

→= ∞

•

)(" ' && −=→> ∞

•

∞ T hQT



PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALORPOR CONECCIN'

4' Con/e**#:n ForJa$a' S# e 0"#$o &e -a*e *#r*"ar&o+re a !#eJa !or %e$#o $e "n /ent#a$or o "na+o%+a'

7' Con/e**#:n L#+re' S# e 0"#$o *#r*"a en 0or%anat"ra &o+re a !#eJa &#n n#ng"na 0"erJa art#0#*#a'

K' Con *a%+#o $e 0a&e'

>a5 E+"#*#:n' Ca%+#o $e 0a&e í"#$a a a 0a&ega&eo&a'

>+5 Con$en&a*#:n' Ca%+#o $e a 0a&e ga&eo&a a a0a&e í"#$a



Ta+a 4'7 ALORES TIPICOS DE “-”

PROCESO ?@%7

Convección -ibre

Pas% %>

Convección -ibre

-iq.

>7 177

Convección<orzada Pas

%> %>7

Convección

<orzada -iq.

>7 %7 777

Convección concambio de fase

Kervir o

Condensar/

%>77 177 777



0)emplo I.%. Ae tiene un cilindro de >7 mm de diámetro en agua a %>7C y a una velocidadde 1 m9s. !ara mantener la temperatura de 177oC en su superficie se requiere unapotencia de &7 6"9m. Ai el cilindro se coloca en aire a %>7C y 17 m9s se requieren >77"9m para mantener en su superficie una temperatura de 1777C. 0ncuentre loscoeficientes de convección en ambos casos y compárelos

SE CONOCE' ( 2 >7 mm de cilindro y potencia requerida para mantener una temperatura

especificada en la superficie eGterior del cilindro para flu)o de aire y agua.

ENCONTRAR' Coeficiente de convección en el proceso con agua y aire.

SE AS(ME. <lu)o normal de agua y de aire sobre un cilindro muy largo.

ES(EMA.

1777C

gua a %>7CU O" 2 1m9s ire a %>7CUOa 2 17 m9s 1777C

ANÁLISIS' COMENTARIO' Note "e6 -H ) -a e&to&/aore& $e “-” &on tí!#*o& en tran&0eren*#a $e*aor en *on/e**#:n 0orJa$a' >/ea ta+a5

m KwQ 30*=•

mwQ )500*=

•

)(4+.42

)25100(050.0

500

)(548,2)25100(05.0

1030

-)(

)-)((

2

2

3

k m

wh

k m

w xh

T T

QhT T hQ

a

w

s

s

=−

=

=−

=

−=−=

∞

•

∞

•

π

π

π π



E%#t#$a !or a &"!er0#*#e or#g#na$a $e a energía t2r%#*a $e a%ater#a "e ro$ea a &"!er0#*#e

Auperficie e%#&#/#$a$ “”,A+&ort#/#$a$ “”, a te%!erat"ra T&'

G E *on/ Ga& a6 T *on -

Le3 $e Ste0anQ BotJ%ann' E í%#te

&"!er#or $e a !oten*#a e%#&#/a “E” T&><5

) 'UV4QW >H@%7<5 Cte SQB

X X4

P V Irradiación, radiación incidentePabs 2 WP, 7 X W X 1

ire a TS y $ Yr Yconv Talr

Ts

Auperficie Pris W 2 Z

'adiación entre una superficie y alrededoresmuy amplios.

P 2 [T*alr

Y4r 2 Z0Ts/#WP 2 Z[T*s T*

alr /

Considerando radiación y convección

4

s! T E σ =

4

sT E εσ =

La &"!er0#*#e *on E+, *"er!o negro )()(44

alr s sr conv T T AT T hAQQQ −+−=+= ∞

•••

εσ



FORMA ESPECIAL DE EC(ACIN

Ai se esta considerando la radiación entre dos superficies de diferente

temperatura. 0l piso a Ts y alrededores a Talr. Ae está considerando la

diferencia de energía trmica que es liberada debido a la emisión de

'adiación y generada debido a la absorción de la radiación. lgunas veces es conveniente eGpresarla como+

-r ) Coe0#*#ente $e Tran&0eren*#a $e Caor !or ra$#a*#:n'

;a3 tre& te%!erat"ra& *ara*terí&t#*a&6 T&, T 3 Tar

)( sur sr r T T AhQ −=

•

))(( 22 sur s sur sr T T T T h ++= εσ



Tabla 1.& 0misividades de algunos materiales a &77 76

material emisividad material emisividad

Ko)a de luminio

7.7 luminioanodizado

7.@%

Cobrepulido

7.7& ?ro pulido 7.7&

!lata pulida 7.7% cero inoGpulido

7.1

!inturanegra

7.L@ !inturablanca

7.L7

!apelblanco

7.L%#7.L !avimentode asfalto

7.@>#7.L&

-adrillo ro)o 7.L&#7.L= !iel$umana

7.L>

madera 7.@%#7.L% suelo 7.L&#7.L=

agua 7.L= vegetación 7.L%#7.L=



0)emplo I.&. 0n un salón de clase donde se mantiene una temperatura de %> 7C y las paredes a 1>7Cse presenta un grupo de 17 alumnos que como promedio tienen un área en la superficie de cucuerpo de 1,> m% así como la temperatura de su piel de &%7C. \Cuál es la razón de la radiación entrelas superficies del salón y la de un alumno como promedio]

SE CONOCE. Temperaturas TS, Ts y Talr y de un cuerpo radiante. ENCONTRAR,

PROPIEDADES. Z 2 7.L> vea tabla/. SE AS(ME' 0stado estable, no $ay convección,cuerpo de área 34 muy pequeNo en comparación del salón y temperaturas constantes.ES(EMA.

ANÁLISIS. -a razón neta de radiación entre el alumno y elsalón de clase es+

Ts 2 &%7C

T ) 7C Tar )4C

COMENTARIO. 0s interesante observar que ba)o estas condiciones de los alrededores de T 2 1>7C, sise considerara un curso de verano cuando la Talr subiría, digamos a &77C el calor de radiación tendería

a ba)ar grandemente. es interesante evaluarlo para conocer su decremento en ^/

r Q

•

r Q•

w

x

T T AQ alr s sr

6.100

))2+315()2+332)((106+,5(95.0

)(

448

44

=

+−+=

−=

−

•

εσ



BALANCE DE ENERGÍA EN UNA SUPERFICIE.

Cu#ndo se a$lica el $rinci$io de conservación

de la energía a una su$er%cie de un ciertomedio, la su$er%cie de control no incluyemasa y volumen&

8ota+ ;n volumen o un área de control es un límitefísico donde se realiza el balance de energías

0=−

••

se E E

0""" =−−

•••

rad convcond QQQ



Baan*e $e energía en "na &"!er0#*#e $e *ontro

"r Q

•

cond Q"•

convQ"•

alr T

huT

"luido

,, ∞∞

1T

2T

L

k

control deer"icie&/

T

x



0)emplo I.*. !ara evaluar de coeficiente de convección 3$4, se usa una varillade aluminio dos termopares a G1 2 % y G% 2 * Cm a lo largo de su e)e. 0l luminio tiene una 6 2 %7L.& "9m6 y las temperaturas en los termopares sonde =7 y *> 7C y la del aire 1%77C, \Cuál es el valor de 3$4]

SOL(CIN. Temperatura a % y* Cm de la punta de la varilla a lo largo del e)e.ENCONTRAR. Coeficiente de convección 3$4.ES(EMA. SE AS(ME. 0stado estable, conducción unidireccional en 3G4

!ropiedades Constantes, sin generación de energía.

ire a TS2 1%77C

y $

1 % G

ANÁLISIS. (e un balance de energía+

2 2 0l gradiente de temperatura en la varilla es lineal de acuerdo a las asunciones, entonces en G 7 2 7U T7 2 > 7C

2 $ TS# T7/U,

COMENTARIO' La eVa*t#t"$ $e %2to$o $e %e$#*#:n $e “-” $e!en$e 0"erte%ente $e o a&"%#$o'

convQ"•

cond Q"•

convQ"•

cond Q"•

22

12

21 9+5,15610)24(

45603.209

m

w

x x

T T k =

−

−=

−

−

−

convQ"•

k m

w

T T

Qh

o

cond

2488,3

+5120

9+5,156"=

−=

−=

∞

•



'esumen y refleGiones

Kay que reconocer que el flu)o de calor va de una temperaturamayor a otra menor por lo que en conducción el gradiente detemperatura es negativo.

0s muy comn que se presenten dos o tres mecanismos de TCen una cierta situación, entonces es conveniente verificarcual de ellos es significativo.

Ai se tienen flu)os de calor negativos, revise en el modelo si serefiere a calor disipado o bien es calor impuesto.

Trate de utilizar la metodología mostrada en la solución de sus

problemas, esto le puede aclarar muc$o mas lo que deseaevaluar.0l calor se mide en TC como potencia en _atts., no se

confunda a que se refiere.



'E*L+" *E L" "PL-C"C-./ *EE0" LE:

2*e%nir un 3olumen de Controla$ro$iado con la 0u$er%cie de Controlde%nida&

2La base del tiem$o “ t a$ro$iado&

2El Proceso de Emergía relevantedebe ser identi%cado&

2La Ecuación de conservación debede escribirse, y ra4ones de cambioa$ro$iadas deben sustituirse en

t5rminos de la ecuación&

ÁANÁLISIS



ANÁLISIS6ANÁLISIS6

J Lo "e &e *ono*e6 Par9%etro& 3 Con$#*#one&'

J "e en*ontrar "e en*ontrar + Oariables o Magnitudes motivos del!roblema.

J Kacer un E&"e%a del !roblema.

J Yue se debe de a&"%#r para la solución delproblema.

J Pro!#e$a$e& que se deben de conocer de lastablas de teGto.

J E an9#&#&6 Camino en la Aolución de l !roblema

J Co%entar#o&6 0Gtensión en la solución del!roblema.



EVALUACIÓN DE LA COMPETENCIA

!resentar y eGplicar un caso real donde pueda identificarlos tres mecanismos de TC y determine los parámetrosy las propiedades que intervienen en l.

*7^

!resentar y eGplicar claramente seis problemas de TC+

# ;n problema sobre conducción.

# ;n problema sobre convección.

# ;n problema de radiación.

# ;no sobre conducción y convección.# ?tro de conducción y radiación.

# H otro sobre los tres mecanismos.

=7^

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