Universidad Mariano Gálvez de Guatemala Facultad: Ingeniería, Matemáticas y Ciencias Físicas Carrera: Ingeniería Mecánica Código Curso: 742 Nombre Curso: Transferencia de Calor Sección: “A” Catedrático: Ing. Henry Fidel Gramajo Soto Días: Sábado (2do. & 4to.) Hora: 10:30 AM a 12:00 PM Salón: TERMOLAB
PRACTICA No. 5
CALCULO TERMICO TEMPERATURA Y CANTIDAD DE CALOR, REFRIGERACION DELMOTOR, CONVERSION DE ENERGIA
EXPLICACION 1. TEMPERATURA Y CANTIDAD DE CALOR Como muestra el dibujo de al lado, una corriente de agua puede mover una rueda de paletas (rueda hidráulica) y ejecutar con ello un trabajo. En el agua en movimiento existe pues una posibilidad de trabajo, la denominada energía.
Lo mismo que la corriente de agua, las moléculas en movimiento de las substancias también poseen energía. Cuanto mayor es la energía de unas moléculas determinadas, mayor es también la temperatura de la materia que componen.
Masas Distintas – Distintas – Temperaturas Temperaturas Iguales
a)
La energía de cada una de las moléculas es igual (lo mismo en el recipiente 1 que en el recipiente 2), porque están todas a la misma temperatura.
El grado de calor (temperatura) se mide con el termómetro. No deben confundirse uno con otro: el ca lor y la temperatura. La temperatura corresponde por consiguiente a la energía de cada una de las moléculas concretas. Frente a esto, la cantidad de calor (energía térmica) es la suma de las energías de todas las moléculas. b)
La suma de las energías de todas las moléculas en el recipiente 1 es mayor que en el recipiente 2. La energía térmica en el recipiente 1 es mayor que en el recipiente 2 que contiene más moléculas (mayor número = mayor masa).
La cantidad de calor depende pues de: La energía de las distintas moléculas (t emperatura). El número total de moléculas (masa). La cantidad de calor, que se necesita para aumentar la temperatura de una materia, depende de: a) b) c)
La magnitud del aumento de temperatura La cantidad de materia La capacidad calorífica específica, o calor específico de la cantidad de calor necesaria para elevar 1 Kelvin (o 1 temperatura de 1 Kg de substancia.
⁰) la
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PRACTICA No. 5
2. REFRIGERACION DEL MOTOR De la cantidad de calor que se produce por la combustión en el motor de un vehículo, aproximadamente se entrega un tercio a la atmósfera a través del sistema de refrigeración (ver en el dibujo la circulación del agua de refrigeración por bomba). Esa cantidad de calor, en un turismo que consume, por ejemplo, 10 litros a los 100 Km (combustible de densidad 0.75 y poder calorífico igual a 42 MJ/Kg) es:
= 10∗0.75∗42 3 = 105 = 105
3. CONVERSIÓN DE ENERGÍA La energía se puede convertir de una clase a otra. Hay que hacer constar que el calor es igual a la suma de la energía de todas las moléculas y, por tal motivo, se puede convertir el calor en ot ra clase de energía, como por ejemplo, en trabajo mecánico de un émbolo que empuja hacia arriba (ver el dibujo).
En la conservación de la en ergía en trabajo mecánico descansa el principio de los motores térmicos. Cantidad de calor, energía y trabajo son magnitudes iguales. Por ello pueden intercambiarse las unidades Joule, Newton, Metro y Watt Segundo.
NOTACIONES La unidad de temperatura es el Kelvin [K].
En vez de un Kelvin, la temperatura se puede dar en grados Celsius [⁰C]. La unidad de cantidad de ca lor es el Joule. T To t Δt o ΔT Q c m V i
= Temperatura = 273 = Temperatura Celsius = Diferencia de Temperatura = Cantidad de Calor = Calor Específico = Masa (por ejemplo, cantidad de agua) = Volumen de Agua en el Sistema de Refrigeración = Número de veces que circula el refrigerante
[K] [K = 0 ⁰ C] [⁰C] [⁰C o K] [J o kJ] [kJ / Kg * K] [Kg] [Litros l ] [1/h]
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PRACTICA No. 5
ECUACIONES CANTIDAD DE CALOR Al calentar una cantidad determinada de t 1 a t2 se tiene: Cantidad de Calor = Cantidad de Materia * Calor Específico * Diferencia de Temperatura
= ∗ ∗ ( − ) CALCULO DE LA REFRIGERACION DEL MOTOR Eliminación (cesión) de cantidad de calor por hora = Volumen de Agua de la Instalación de Refrigeración * Número de Veces que Circula * Calor Específico * Diferencia de Temperatura
=∗∗4.19( − )[ℎ] CONVERSION DE ENERGIA La energía no se destruye, simplemente se transforma. Cantidad de Energía = Trabajo Mecánico
1 = 1 = 1 NOTA Tabla del calor específico de algunas substancias, en kJ / Kg * K Substancia
Calor Esp.
Substancia
Calor Esp.
Substancia
Calor Esp.
Substancia
Calor Esp.
Alcohol Aceite Agua
2.51 2.09 4.19
Aluminio Acero Cobre
0.87 0.5 0.37
Plomo Hierro Aire
0.12 0.54 1.04
Hielo Latón Mercurio
2.09 0.37 0.12
EJERCICIOS DE APLICACION 1. 2. 3.
∗∗( − )
Despejar c y c de la ecuación Q = ¿Cuántos kJ son necesarios para elevar la temperatura de 20 Litros de agua de 10 ⁰C a 25 ⁰C? Calcular la cantidad de calor necesaria para elevar las siguientes cantidades de agua de 273 K (= 0 ⁰C) a las temperaturas de la tabla que se muestra a continuación: EJERCICIO Cantidad de Agua m Temperatura T2
4. 5. 6.
A
B
C
D
E
F
5 Kg 293 K
960 cm 3 298 K
7 Kg 313 K
3,500 g 50 ⁰C
12 dm 3 62 ⁰C
9.1 Litros 71 ⁰C
¿Qué cantidad de calor contienen 5 Litros de aceite que se hayan calentado en el motor de 10 ⁰C a 70 ⁰C? ¿Qué cantidad de calor ceden 15 Kg de acero calentado a 830 ⁰C al enfriarse a 20 ⁰C? El aire de una aula de 12 * 8 * 3 m se ha de calentar de 10 ⁰C a 19 ⁰C (c aire = 1.04 kJ / Kg * K; ρ aire = 1.29 Kg/m 3). ¿Cuántos kJ hay que consumir?
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10.
11. 12. 13.
PRACTICA No. 5
Despejar V e i de la ecuación Q = V * i * 4.19 (t 2 – t1). Un turismo lleva 9 Litros de agua de refrigeración, que entran en el motor a 74 ⁰C y salen a 86 ⁰C. ¿Qué cantidad de calor cede el motor en un ahora si el agua circula en ese tiempo 270 veces? Un vehículo lleva 12 litros de agua de refrigeración y consume 8.5 litros de combustible a los 100 Km (poder calorífico del combustible, 44 MJ/Kg, densidad de 0.76). Hay que evacuar el 32% de la cantidad de calor que se produce, con lo cual la temperatura en el radiador desciende 8 ⁰C. a) ¿Cuál es la cantidad de calor que se produce en la combustión? b) ¿Cuántos kJ debe extraer el agua de refrigeración? c) ¿Cuántos circuitos por hora y por minuto se necesitan para evacuar esa cantidad de calor? El agua de refrigeración de un motor efectúa 250 circuitos por hora y ha de absorber 112 MJ, con lo cual se eleva 10 ⁰C la temperatura del agua. a) ¿Cuántos litros de agua de refrigeración se necesitan? b) ¿Qué cantidad de agua circula (caudal) en l/h y l/min? ¿Cuántos Nm son a) 300 MJ, b) 2,500 kJ y c) 31,400 Ws? ¿Qué cantidad de calor en J y kJ corresponde a un trabajo mecánico de a) 86,254 Nm, b) 3,458.7 Nm y c) 213.5 Nm? En la combustión del combustible se generan en el motor 251.4 MJ, de los cuales el 66% no se convierte en trabajo mecánico. ¿Cuántos Nm son?
