TRANSFERENCIA DE CALOR

UNIDAD 1 : CONDUCCIÓN EN ESTADO ESTABLE

1.1 Mecanismo físico de la conducción 1.2 Conductividad térmica 1.3 Ecuación de conducción de calor. 1.4 Conducción unidireccional. 1.5 Conducción bidimensional. 1.6 Selección y diseño de aislantes

Modos de Transferencia de CalorRECORDEMOS QUE LA TRANSFERENCIA DE CALOR SE PUEDE REALIZAR POR TRES MECANISMOS:

CONDUCCIÓN.CONVECCIÓN.RADIACIÓN.

Conducción

Se refiere a la transferencia de calor a través de un medio. El mecanismo físico involucrado requiere conceptos de actividad atómica y molecular, que sostienen que la transferencia de energía ocurre desde partículas más energéticas hasta partículas menos energéticas, mediante interacción entre partículas.

En gases: Las moléculas están más separadas, la conductividad es baja, ya que cuesta más que los átomos choquen.

Vibración + Movimiento aleatorioEn líquidos: Las moléculas están más juntas, mayor interacción, mayor conductividad.

Vibración + Movimiento en celdasEn sólidos: Moléculas muy juntas y ordenadas, alta conductividad, conducción más rápida.

Vibración, movimiento de electrones

Modificación de la energía cinética interna de la sustancia, propagación del desorden (Choques), aumentando el calor desde las partículas más calientes (mayor movimiento) a las más frías (menor movimiento)

El signo menos (-) es consecuencia del Segundo Principio de la Termodinámica, según el cual, elcalor debe fluir hacia la zona de temperatura más baja (figura 2)

Ley de fourier

Ley de Fourier: Esta ley permite calcular la cantidad de energía que se transfiere por unidad de tiempo.

Fourier (en 1822) encontró que “el flujo de calor en el interior de un sólido o de un fluido en reposo es proporcional al gradiente local de temperatura y a la conductividad térmica del material”.

Esta ley se derivó de observaciones empíricas.

1.2 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Conductividad es la propiedad de aquello que es conductivo (es decir, que tiene la facultad de conducir). Se trata de una propiedad física que disponen aquellos objetos capaces de transmitir la electricidad o el calor.

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que no está en contacto

La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Para un material isótropo la conductividad térmica es un escalar k definido como:

donde:,q: es el flujo de calor (por unidad de tiempo

y unidad de área). , es el gradiente de temperatura.

La conductividad térmica es una capacidad elevada en los metales y en general en cuerpos continuos, y es más baja en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales tales como la fibra de vidrio, denominados por ello, aislantes térmicos.

Para generar la conducción térmica se necesita una sustancia, por tal razón, es nula en el vacío.

La conductancia es la cantidad de calor que pasaría por unidad de tiempo, a través de una unidad de área de un material de espesor dado, sometido a la unidad de diferencia de temperatura.

Esta se puede determinar por medio de la ecuación :

C = k/x

Cuando esta (C) se reporta por una cantidad de material de un grueso con una área de flujo de un pie2, la unidad de tiempo 1h y la diferencia de temperatura de 1 oF, se llama conductividad térmica k.

C = k A/x: A área x: Grueso del

material K: conductividad térmica

¿Como influye la temperatura y la presión en la conductividad térmica?

o La conductividad térmica de los sólidos es mayor que la de los líquidos, la que a su vez es mayor que la de gases.

o La K para muchos líquidos decrece con el aumento de la temperatura.

o La K para muchos gases y vapores aumenta con el aumento de la temperatura

La unidad de medida para la conductividad térmica es el Watt por Kelvin metro (W/(K*m)), en el SI (Sistema Internacional). Para darte una idea, la plata es un excelente conductor térmico, con un valor de conductividad de alrededor de 410 W/(K*m), mientras que un material como el corcho tiene una conductividad térmica de unos 0,03 W/(k*m).

Ejemplos

los metales con conductividad térmica sirven pues eso para conducir el calor, metales de ese tipo se usan en construcción de radiadores y diversos instrumentos para aguantar calor.Un buen conductor térmico es, por ejemplo, el cobre el cual transporta bien el calor por toda su superficie.

Notaciones: NOTACIÓN  En ESTE DOCUMENTO la velocidad de

tranferencia de calor se denota por Q-punto que es lo mismo que.- En ESTE DOCUMENTO el flujo de calor ( Q-punto / A ) se denota por q-punto que es lo mismo que .

  - OTRA NOTACIÓN que se puede ver en otros libros o apuntes es la siguiente:-- Para la velocidad de transferencia de calor : -- Para el flujo de calor: j

ECUACIÓN GENERAL DE LA CONDUCCIÓN

-En general la temperatura depende de las tres coordenadas espaciales ( x,y,z ) y del tiempo ( t ) , es decir, T = f ( x,y,z,t ). La ecuacion general de la conducción se expresa como:

--- Donde:--- T: campo de temperaturas , T = f ( x, y, z, t )--- qG: calor generado por las fuentes internas--- k: conductividad térmica--- a: difusividad térmica

LEY DE FOURIER DE LA CONDUCCIÓN

-De forma general, la Ley de Fourier de la conducción se expresa como:-

-- Donde:--- T: campo de temperaturas , T = f ( x, y, z ) en régimen permanente ( la temperatura no varía en el tiempo )--- k: conductividad térmica

TRANSFERENCIA DE CALOR UNIDIRECCIONAL

-En este documento sólo se considera la transferencia de calor unidireccional, con lo que la Ley de Fourier se reduce a:

-

--- Donde:-- T: campo de temperaturas , T = f ( x ) en régimen permanente.-- A: área de la superficie de transferencia

1.4 CONDUCCION UNIDIRECCIONAL.

La conducción es una forma de transferencia térmica según la cual, el calor viaja desde una región de temperatura elevada a otra de menor temperatura, pudiendo aparecer en los sólidos, en los líquidos y en los gases. Para el caso de los líquidos y gases, la conducción se encuentra normalmente en combinación con la convección; la conducción pura tiene lugar, fundamentalmente, en los sólidos opacos.En lo que sigue consideraremos que el medio conductor es un sólido, pero los principios que se desarrollan pueden aplicarse asimismo a aquellos líquidos y gases en los que el movimiento convectivo se encuentre limitado por el mecanismo que sea.

El estudio de la conducción térmica se puede realizar siguiendo tres directrices principales:

a) En la primera interviene la conducción en régimen estacionario (en el que la temperatura resulta ser función de una determinada dirección)

b) En la segunda se trata la conducción estacionaria en la que la temperatura es función de dos o tres direcciones

c) La tercera se corresponde con la conducción en régimen transitorio

EJEMPLO:

1.5 Conducción bidimensional.