TRANSEFERENCIA DE CALOR

PRESENTADO POR: ANGULO ANDREA

GUZMÁN LUIS GRABRIEL

SUERTE RONALD

PRESENTADO A: DARIO CASTRO C.

EN LA MATERIA DE: FISICA CALOR ONDAS

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DEL NORTE

BARRANQUILLA, 30 DE ABRIL DEL 2010

INTRODUCCIÓN

Son muchas las aplicaciones que podemos encontrar al momento de analizar la

transferencia de calor entre cuerpos. Un disipador de calor es un elemento físico que

tiene como función extraer el exceso de calor en cualquier elemento. Es usual que en

los dispositivos electrónicos se use los disipadores de calor para evitar el aumento de

temperatura en los aparatos y en algunos componentes como en las tarjetas graficas o

en el microprocesador de un computador. En esta situación los mecanismos de

transferencia de calor aplicados son conducción y convección.

MARCO TEÓRICO

TRANSFERENCIA DE CALOR

Cuando calentamos algún cuerpo se gasta energía y las partículas que constituyen

dicho cuerpo aumentan su actividad incrementando su movimiento, por lo que la

energía de cada partícula aumenta y por consiguiente la energía del cuerpo crece

también. Al poner en contacto dos cuerpos, uno caliente y otro frío, el cuerpo que esté

caliente se va a “enfriar” y el segundo se calentará. Esto es lo que se conoce como la

transferencia de energía entre dos cuerpos; este fenómeno se da porque las partículas

del cuerpo más caliente se mueven más rápido por poseer más energía, chocando con

las partículas del cuerpo menos caliente que se encuentran en la zona de contacto,

incrementando así su movimiento y por lo tanto también su energía. El movimiento de

estas partículas se transmite rápidamente a las restantes del cuerpo, aumentando la

energía contenida en el cuerpo a causa de la energía que pierde en los choques las

partículas del cuerpo más caliente. Los cambios en el proceso de transferencia de

energía se llevan a cabo en una dirección, desde el que suministra la energía hasta el

que la recibe.

En el proceso de transformación y transferencia, la energía se puede manifestar de

varias formas. Los tres mecanismos de transferencia de calor son: conducción,

convección y radiación.

La conducción es la transferencia de calor por medio de choques. Por lo general es el

mecanismo de calor más importante a través de un sólido o entre dos cuerpos en

contacto. La conducción se presenta cuando la temperatura varía dentro del sistema, y

el flujo de calor trata de establecer el equilibrio.

Figura1: Ejemplo de conducción.

𝐻 = 𝐴𝐾𝑇

𝐿 (Corriente de calor en conducción)

A: área del materia

K: conductividad térmica del materia

T: diferencia de temperatura

L: Longitud del material.

La convección es la transferencia de calor por movimientos a gran escala en un fluido.

Una de las condiciones más comunes que origina la convección es cuando se caliente

un fluido en su parte inferior. Como la mayoría de los fluidos se expande al calentarse,

el fluido caliente es menos denso que el fluido frío que se encuentra sobre él, y la

fuerza de flotación hace que suba hacia la superficie. El fluido frío se mueve para

tomar el lugar del fluido caliente, y luego se calienta, de modo el flujo continúa. La

convección es una forma importante de transmisión de calor, tanto en el sol como en

una olla de agua hirviente. El flujo conectivo en el interior de la Tierra origina el

campo magnético terrestre y la deriva de los continentes. También es la responsable

de muchos fenómenos meteorológicos. Aunque es fácil describir el mecanismo básico

de la convección, no se ha desarrollado teoría sencilla alguna sobre el movimiento

resultante del fluido.

Figura2: Ejemplo de convección.

H= h.A. T (corriente de calor en convección).

h: coeficiente de convección o de película

A: área del material

T: diferencia de temperatura

La radiación es un mecanismo importante de transporte de calor, que se efectúa en los

sistemas sólidos, líquidos y gaseosos, y que puede transmitir calor entre sistemas que

no estén en contacto físico, y aun a través del vacío. Es el mecanismo por el cual el Sol

calienta a la Tierra.

Figura3: Ejemplo de radiación.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía

generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía.

Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar

acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. La primera ley

no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que

pueden ocurrir.

La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza

pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos

tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Por ejemplo, cuando dos objetos que

están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del

objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas

útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una

máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un

proceso cíclico durante el cual:

se absorbe calor de una fuente a alta temperatura,

la máquina realiza un trabajo y,

libera calor a una fuente a temperatura más baja.

Efecto Joule

Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula

corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en

calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el

que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su

descubridor el físico británico James Prescott Joule.

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o

moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o

de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones

son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido

atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones

chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en

forma de calor.

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica

producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la

intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la

resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa

como

𝑄 = 𝐼2 ∙ 𝑅 ∙ 𝑡

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del

campo eléctrico 𝐸 por la densidad de corriente 𝐽 :

𝑃 = 𝐽 ∙ 𝐸 𝑑𝑉𝑉

La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en energía

calorífica, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).

Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de

entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de

corriente que por ella circule, del valor de la resistencia eléctrica y de la cantidad de

tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la

cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional al

cuadrado de la intensidad de corriente al valor la resistencia y al tiempo.

REFRIGERACIÒN DEL PROCESADOR A TRAVÉS DEL DISIPADOR TÉRMICO

Un procesador se calienta por diferentes factores: en primer lugar, hay que tener en

cuenta que un procesador es un elemento que está compuesto por millones de

transistores, podemos decir que se calienta debido a la resistividad de los

conductores.

Pero hay más factores que influyen en el calentamiento del PC, como la velocidad:

cuanto más rápido vaya el procesador, más temperatura tendrá y más calor

desprenderá. Esto se debe al flujo de corriente que circula por el procesador. Además,

hoy en día los ordenadores son mucho más rápidos que hace algunos años, por lo que

también se calentarán con mayor rapidez. El objetivo de los ingenieros es disminuir la

temperatura a la vez que se aumenta la velocidad del procesador.

Principalmente, podemos decir de forma resumida que el calentamiento del

procesador se debe a dos factores: las conexiones eléctricas entre los transistores y la

velocidad de transmisión. Todo esto obedece al efecto Joule, el cual dice que, si en un

conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se

transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material

conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.

Tipos de refrigeración

Disipador Simple: Solo se pone en contacto la CPU con el disipador para que

este disipe el calor.

Refrigeración por aire: Además del disipador, se incluye un ventilador, que

enfría el disipador para retirar más calor.

Refrigeración líquida: Consiste en hacer correr un líquido refrigerante en un

circuito diseñado para retirar el calor de la CPU y de esta manera bajar la

temperatura, el líquido es enfriado luego de cada ciclo.

El disipador de calor como su propio nombre indica, se encarga de disipar el calor

producido por el microprocesador por su constitución en forma de castillo de cobre;

el ventilador es el encargado de la refrigeración, de bajar un poco la temperatura y de

dar un respiro al microprocesador.

Éste físico, sin partes móviles, destinado a eliminar el exceso de calor de cualquier

elemento.

Su funcionamiento se basa en la segunda ley de la termodinámica, transfiriendo el

calor de la parte caliente que se desea disipar al aire. Este proceso se propicia

aumentando la superficie de contacto con el aire permitiendo una eliminación más

rápida del calor excedente.

Un disipador extrae el calor del componente que refrigera y lo evacúa al exterior,

normalmente al aire. Para ello se necesita una buena conducción de calor a través del

mismo, por lo que se suelen fabricar de aluminio por su ligereza, pero también de

cobre, mejor conductor del calor, pero más pesado.

En el caso habitual, el disipador está en íntimo contacto con el dispositivo que

refrigera, empleando grasa de silicona o láminas termo conductoras para asegurar

una baja resistencia térmica entre el componente y el disipador. Para evacuar el calor

al ambiente, se aumenta la superficie del disipador mediante aletas o varillas, cuyo

diseño varía dependiendo de si existe circulación forzada del aire o sólo convección

natural.

El acabado suele ser negro para mejorar la radiación, pero muchas veces se deja el

metal expuesto y únicamente se protege de la corrosión. El acabado no debe aumentar

la resistencia térmica.

La convección es un fenómeno que atañe a fluidos, tales como el aire o el agua.

Favorece la propagación del calor en estos cuerpos, que son de por sí muy buenos

aislantes térmicos. Un cuerpo caliente sumergido en aire, hace que las capas próximas

al mismo se calienten, lo que a su vez ocasiona una disminución de su densidad, y por

esto se desplazará esta masa de aire caliente hacia estratos más elevados dentro del

recinto. Inmediatamente, el "hueco" que ha dejado este aire es ocupado por aire más

frío, y así se repite el ciclo, generando corrientes convectivas que facilitan el flujo

térmico. Este mismo fenómeno se da en el agua, o cualquier líquido o gas.

La transmisión por conducción se manifiesta más obviamente en cuerpos sólidos.

Curiosamente los cuerpos que son buenos conductores eléctricos, también lo son

térmicos, y se explica a nivel subatómico. El cobre, la plata, níquel, aluminio, oro, etc.,

son excelentes conductores. Si aplicamos una llama a una barra de cobre, enseguida

notaremos el calor por el extremo que lo agarramos. Este calor se ha propagado por

conducción.

En la disipación de calor de los semiconductores, solamente consideramos los dos

últimos tipos de propagación: convección y conducción.

Sin embargo, en ocasiones el calor generado en los componentes es demasiado

elevado como para poder emplear disipadores de dimensiones razonables, llegando a

ser necesarias emplear otras formas de refrigeración como la refrigeración líquida.

Los fabricantes de ordenadores acostumbran incluir un disipador y uno o más

ventiladores, aunque no sean estrictamente necesarios, ya que es una forma barata de

prevenir los posibles problemas que pueda haber por picos de potencia disipada en el

componente o incrementos en la temperatura ambiente del entorno de trabajo.

BIBLIOGRAFIA

SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN, Fisica Universitaria 11 Edición,

Volumen 1.

LEA SUSAN M., BURKE JOHN ROBERT, La naturaleza de las cosas, Volumen 1,

International Thomson Editores

http://mundopc.net/disipadores-para-cpu-%C2%BFcobre-o-aluminio/

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule

http://www2.udec.cl/~jinzunza/fisica/cap15.pdf