¿En qué difiere la ciencia de la transferencia de calor de la ciencia de la termodinámica?
Oferta de Termod Oferta rmodinám inámica ica con la cant cantidad idad de tran transfer sferenc encia ia de calo calorr com como o un sistema experimenta un proceso de un estado de equilibrio a otro. La transferencia de calor, por otra parte, se ocupa de la tasa de transferencia de calor, así como la distribución de la temperatura dentro del sistema en un momento determinado. ¿Cuál es la fuerza impulsora para a) la transferencia de calor, corriente eléctrica y c ) el flujo de fluidos?
b)
el flujo de
(a) (a) La fuer fuerza za impu impuls lsor ora a para para la tran transf sfer eren enci cia a de calo calorr es la dife difere renc ncia ia de temperatura. (b) El motor de la elctrica flu!o de corriente es la diferencia de potencial elctrico ("olta!e). (a) La fuerza impulsora para el flu!o del fluido es la presión diferencia. ¿Cuál es la teoría del calórico? ¿Cuándo y por qué se abandonó?
La teoría calórica se basa en la suposición de que el calor es una sustancia similar a un fluido llamado el #calórico# que es un $as incoloro, sustancia sin masa, sin olor. %ue abandonada en el medio del si$lo &'& si$lo despus se demostró que no a tal cosa como el calórico. ¿En ¿En qué qué se difer diferen enci cian an los los prob proble lema mas s de capa capaci cida dad d nomi nomina nall de los los de dimensionamiento?
Los Los proble problemas mas de calif califica icaci ción ón se refier refieren en a la dete determi rminac nación ión de la tasa tasa de transferencia transferencia de calor para un sistema existente con un diferencia de temperatura especif especificad icado. o. Los problema problemas s de encolad encolado o se ocupan ocupan de la determin determinaci ación ón del tama tama*o *o de un sist sistem ema a de con con el fin fin de tran transf sfer erir ir el calo calorr a una una "elo "eloci cida dad d especificada para una diferencia de temperatura especificado. ¿Cuál ¿Cuál es la diferen diferencia cia entre el enfoqu enfoque e analít analítico ico y el eperi eperimen mental tal de la transferencia de calor? !iscuta las "entajas y las des"entajas de cada uno de ellos#
El enfoque experimental experimental (ensao (ensao tomando mediciones) mediciones) tiene la "enta!a de tratar con el sistema físico real, obtener un "alor físico dentro de los límites de error exper experime imenta ntal. l. +in +in embar embar$o $o,, este este enfo enfoque que es costo costoso so,, cons consume ume tiempo tiempo,, a menudo poco práctica. El enfoque analítico (análisis o cálculos) tiene la "enta!a de que es rápido barato, pero los resultados obtenidos están su!etos a la exactitud de los supuestos las idealizaciones realizadas en el análisis. ¿Cuál ¿Cuál es la importa importanci ncia a de la elabor elaboraci ación ón de modelo modelos s en la in$eni in$enierí ería? a? ¿Cómo se preparan los modelos matemáticos para los procesos de in$eniería?
odelin$ ma-es it possible to predict te course of an e"ent before it actuall occurs, or to stud "arious aspects of an e"ent matematicall itout actuall runnin$ expensi"e and time/consumin$ experiments. 0en preparin$ a matematical model, all te "ariables tat affect te penomena are identified, reasonable assumptions and approximations are made, and te interdependence of tese "ariables are studied. Te ele"ant psical las and principles are in"o-ed, and te problem is formulated matematicall. %inall, te problem is sol"ed usin$ an appropriate approac, and te results are interpreted. Cuando se %ace un modelo de un proceso de in$eniería, ¿cómo se %ace la selección correcta entre un modelo simple pero burdo y uno complejo pero eacto? ¿El modelo complejo es necesariamente una selección mejor porque es más eacto?
La elección correcta entre un modelo crudo comple!a suele ser el modelo más simple que rinde resultados adecuados. 1reparación de modelos mu precisos pero comple!os no es necesariamente la me!or opción a que tal modelos no se utilizan muco para un analista si son mu difícil requiere muco tiempo para resol"er. En el mínimo, el modelo debe refle!ar las características esenciales del problema físico que representa.
¿&ué es flujo de calor? ¿Cómo está relacionado con la razón de transferencia de calor?
La tasa de transferencia de calor por unidad de superficie se denomina flu!o de
calor. +e relaciona con la tasa de calor transferir por. ¿Cuáles son los mecanismos de transferencia de ener$ía para un sistema cerrado? ¿Cómo se distin$ue la transferencia de calor de las otras formas de transferencia de ener$ía?
La ener$ía puede ser transferida por el calor, el traba!o, la masa. 2na transferencia de ener$ía es la transferencia de calor cuando su fuerza impulsora es la diferencia de temperatura. ¿Cómo están relacionados entre sí el calor, la ener$ía interna y la ener$ía térmica?
La ener$ía trmica es las formas sensible latente de ener$ía interna, que se conoce como calor en "ida diaria.
'e calienta un $as ideal desde (*C %asta +*C a) a "olumen constante y b) a presión constante# ¿ara cuál de los dos casos piensa que la ener$ía requerida será mayor? ¿or qué?#
1ara el caso de presión constante. Esto se debe a la transferencia de calor a un $as ideal es mcp3T en constante presión mc"3T a "olumen constante, 4p es siempre maor que c". Considere dos casas que son idénticas, ecepto porque, en una de ellas, las paredes se construyen con ladrillos y, en la otra, con madera# 'i las paredes de la casa de ladrillos tienen el doble de espesor, ¿cuál de las casas piensa usted que será más eficiente respecto al uso de la ener$ía?
La casa con la tasa más ba!a de la transferencia de calor a tra"s de las paredes será más eficiente de la ener$ía. 4alor la conducción es proporcional a la conducti"idad trmica (que es 5,67 0 8 m. 9 4 durante ladrillo 5,:6 0 8 m. 9 4 durante madera, Tabla :/:) e in"ersamente proporcional al espesor. La casa de madera es más eficiente desde la pared de madera es el doble de $rueso pero tiene alrededor de un cuarto de la conducti"idad de la pared de ladrillo. !efina la conducti"idad térmica y eplique su si$nificado en la transferencia de calor#
La conducti"idad trmica de un material es la tasa de transferencia de calor a tra"s de una unidad de espesor del material por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura. La conducti"idad trmica de un material es una medida de calor que tan rápido se lle"ará a cabo en ese material. ¿Cuáles son los mecanismos de transferencia de calor? ¿Cómo se distin$uen entre sí?
Los mecanismos de transferencia de calor son la conducción, con"ección radiación. La conducción es el transferencia de ener$ía desde las partículas más ener$ticas de una sustancia a los menos ener$ticos adacentes como una resultado de las interacciones entre las partículas. La con"ección es el modo de transferencia de ener$ía entre un sólido superficie el líquido adacente o $as que está en mo"imiento, e implica efectos combinados de conducción mo"imiento fluido. La radiación se emite por la materia de ener$ía en forma de ondas electroma$nticas (o fotones) como resultado de los cambios en las confi$uraciones electrónicas de los átomos o molculas. ¿Cuál es el mecanismo físico de conducción del calor en un sólido, un líquido y un $as?
En los sólidos, la conducción se debe a la combinación de las "ibraciones de las molculas en una red la transporte de ener$ía por los electrones libres. En los
$ases líquidos, es debido a las colisiones de las molculas durante su mo"imiento aleatorio. Considere la transferencia de calor a tra"és de una pared sin "entanas de una casa, en un día de in"ierno# !iscuta los parámetros que afectan la razón de conducción del calor a tra"és de la pared#
Los parámetros que afectan la "elocidad de conducción de calor a tra"s de una pared sin "entanas son la $eometría el área superficial de la pared, su espesor, el material de la pared, la diferencia de temperatura a tra"s de la pared. Escriba las epresiones para las leyes físicas que ri$en cada modo de transferencia de calor e identifique las "ariables que inter"ienen en cada relación#
La conducción se expresa por la le de %ourier de la conducción como donde dT 8 dx es el $radiente de temperatura, - es la conducti"idad trmica, ; es el área que es normal a la dirección de transferencia de calor. La con"ección se expresa por la le de enfriamiento de ?; s(Ts /T@) s es la superficie a tra"s del cual la transferencia de calor por con"ección toma lu$ar, Ts es la temperatura de la superficie T@ es la temperatura del fluido suficientemente le!os de la superficie. La radiación se expresa por la le de +tefan/Aoltzman como (B), donde surr B =C;D > F;s( Ts /T surr ) es la emisi"idad de la superficie, como es el área de superficie, Ts es la temperatura de la superficie, Tsurr es el promedio rodea temperatura de la superficie F > G,H6 I :5/J 0 8 m7 ⋅KB es la de +tefan/ Aoltzmann constante . ¿En qué difiere la conducción de calor de la con"ección?
4on"ección implica mo"imiento fluido, la conducción no. En un sólido podemos tener solamente la conducción ¿-l$una ener$ía del 'ol lle$a a la .ierra por conducción o por con"ección?
En la con"ección forzada del fluido es forzado a mo"erse por medios externos, como un "entilador, bomba o la"iento. El mo"imiento del fluido en la con"ección natural es debido nicamente a efectos de flotabilidad. !efina emisi"idad y absorti"idad# ¿Cuál es la ley de /irc%%off de la radiación?
La emisi"idad es la proporción de la radiación emitida por una superficie a la radiación emitida por un cuerpo ne$ro a la misma temperatura. ;bsorbencia es la fracción de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por la superficie. La le de Kircoff de la radiación indica que la emisi"idad la absorti"idad de una superficie son i$ual a la misma temperatura lon$itud de onda. ¿&ué es un cuerpo ne$ro? ¿En qué difieren los cuerpos reales de los ne$ros?
2n cuerpo ne$ro es un cuerpo idealizado que emite la maor cantidad de radiación a una determinada temperatura que absorbe toda la radiación incidente sobre ella. 4uerpos reales emiten absorben menos radiación de un cuerpo ne$ro a la misma temperatura. - juz$ar por su unidad, 01m 2 *C, ¿podemos definir la conducti"idad térmica de un material como la razón de transferencia de calor a tra"és del material por unidad de espesor por unidad de diferencia en la temperatura? Eplique#
Considere la pérdida de calor a tra"és de dos paredes de una casa en una noc%e de in"ierno# 3as paredes son idénticas, ecepto que una de ellas tiene una "entana de "idrio firmemente ajustada# ¿- tra"és de cuál pared la casa perderá más calor?Eplique#
En una casa típica, la prdida de calor a tra"s de la pared con "entana de cristal será maor a que el "idrio es muco más del$ada que una pared, su conducti"idad trmica es más alta que la conducti"idad media de una pared. ¿Cuál es mejor conductor del calor4 el diamante o la plata?
El diamante es un me!or conductor de calor.
Considere dos paredes de una casa que son idénticas, ecepto que una de ellas está construida de madera de 5 cm de espesor, en tanto que la otra está %ec%a de ladrillo de 6( cm de espesor# ¿- tra"és de cuál de las dos paredes la casa perderá más calor en el in"ierno?
La tasa de transferencia de calor a tra"s de ambas paredes se puede expresar como
donde conducti"idades trmicas se obtienen de la Tabla ;/G. 1or lo tanto, la transferencia de calor a tra"s de la pared de ladrillo será maor a pesar de su maor espesor. ¿Cómo "aría la conducti"idad térmica de los $ases y los líquidos con la temperatura?
La conducti"idad trmica de los $ases es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. Los conducti"idad trmica de la maoría de los líquidos, sin embar$o, disminue al aumentar la temperatura, siendo el a$ua un excepción notable. ¿or qué la conducti"idad térmica de los superaislamientos es de ma$nitud inferior que la correspondiente al aislamiento com7n?
+uperinsulations se obtienen mediante el uso de capas de o!as altamente reflectantes separadas por fibras de "idrio en un espacio e"acuado. Transferencia de calor por radiación entre dos superficies es in"ersamente proporcional al nmero de o!as utilizadas por lo tanto la prdida de calor por la radiación será mu ba!a ;l usar este o!as altamente reflectantes. En el mismo tiempo, e"acuando el espacio entre las capas forma un "acío ba!o 5,55555: atm de presión que minimizar la conducción o con"ección a tra"s del espacio de aire entre las capas. ¿or qué caracterizamos la capacidad de conducción del calor de los aisladores en términos de su conducti"idad térmica aparente en lu$ar de la conducti"idad térmica com7n?
;islamientos más comunes se obtienen por mezcla de fibras, pol"os o copos de materiales aislantes con el aire. La transferencia de calor a tra"s de tales aislamientos es por conducción a tra"s del material sólido, conducción o con"ección a tra"s del espacio de aire, así como la radiación. Tales sistemas se
caracterizan por conducti"idad trmica aparente en lu$ar de la conducti"idad trmica ordinaria con el fin de incorporar estos con"ección radiación efectos. Considere una aleación de dos metales cuyas conducti"idades térmicas son k 5 y k 6# ¿3a conducti"idad térmica de la aleación será menor que k 5, mayor que k 6 o estará entre k 5 y k 6?
La conducti"idad trmica De 2na ;leación de dos metales ás probable es =2E +E; menor la del que Trmica conducti"idades de ;mbos metales.
¿ueden ocurrir simultáneamente los tres modos de transferencia de calor 8en paralelo) en un medio?
Los tres modos de transferencia de calor no pueden ocurrir simultáneamente en un medio. 2n medio puede implicar dos de ellas de forma simultánea. ¿uede un medio comprender a) conducción y con"ección, b) conducción y radiación o c ) con"ección y radiación simultáneamente? !é ejemplos para las respuestas que sean 9sí:# 8a) 3a conducción y con"ección4 ;o# 8b) 3a conducción y la radiación4 'í# Ejemplo4
La temperatura profunda del or$anismo umano de una persona sana permanece constante a M694 mientras que la temperatura la umedad del medio cambian con el tiempo. !iscuta los mecanismos de transferencia de calor entre el cuerpo %umano y el medio tanto en "erano como en in"ierno y eplique cómo una persona puede mantenerse más fría en "erano y más caliente en in"ierno# El cuerpo umano pierde calor por con"ección, radiación e"aporación en "erano en in"ierno. En "erano, podemos mantener la calma por "estir a la li$era, permanecer en ambientes más fríos, con"irtiendo un "entilador, e"itando lu$ares medos la exposición directa al sol. En in"ierno, se puede mantener el calor por "estirse en $ran medida, alo!arse en un ambiente más cálido, corrientes de aire e"itando. - menudo encendemos el "entilador en "erano para que ayude a enfriarnos# Eplique de qué manera un "entilador %ace sentirnos más fríos en el "erano# -simismo, eplique por qué al$unas personas usan "entiladores en el tec%o también en el in"ierno#
El "entilador aumenta el mo"imiento del aire alrededor del cuerpo por lo tanto el coeficiente de transferencia de calor por con"ección, lo que aumenta la tasa de
transferencia de calor desde el cuerpo por con"ección e"aporación. En abitaciones con alta tecos, "entiladores de teco se utilizan en in"ierno para forzar el aire caliente en la parte superior acia aba!o para aumentar el aire la temperatura a ni"el del cuerpo. Esto se ace $eneralmente al forzar el aire asta que lle$a al teco se mue"e a la ba!a de manera sua"e para e"itar corrientes de aire. ¿&ué es metabolismo? ¿Cuál es el "alor de la razón metabólica para un %ombre promedio? ¿or qué estamos interesados en el índice metabólico de los ocupantes de un edificio cuando tratamos con la calefacción y el acondicionamiento del aire?
El metabolismo se refiere a la quema de alimentos como los carboidratos, $rasas proteínas con el fin de realizar las funciones corporales necesarias. La tasa metabólica de un ombre promedio oscila entre :5J 0, mientras que lectura, escritura, mecano$rafía, o escucar una conferencia en un salón de clases en una posición sentada a :7G5 0 a los 75 a*os (6M5 a los 65 a*os) durante el e!ercicio intenso. Las tasas correspondientes para las mu!eres son un M5 por ciento inferior. Tasas metabólicas máximas de atletas entrenados pueden exceder 7.555 0. Estamos interesados en la tasa metabólica de los ocupantes de un edificio cuando nos tratan con calefacción aire acondicionado porque la tasa metabólica representa la "elocidad a la cual un cuerpo $enera calor se disipa a la abitación. Este calor corporal contribue a la calefacción en in"ierno, pero se a*ade a la car$a de refri$eración del edificio en "erano. ¿or qué, en $eneral, la razón metabólica de las mujeres es menor que el de los %ombres? ¿Cuál es el efecto de la ropa sobre la temperatura ambiental que se siente cómoda?
La tasa metabólica es proporcional al tama*o del cuerpo, la tasa metabólica de las mu!eres, en en $eneral, es más ba!o que el de los ombres debido a su menor tama*o. Copa sir"e como aislante, el más $ruesa sea la ropa, menor es la temperatura del medio ambiente que se siente cómodo. ¿&ué es radiación térmica asimétrica? ¿Cómo causa incomodidad térmica en los ocupantes de un cuarto?
Cadiación trmica asimtrica es causada por las superficies frías de las $randes "entanas, paredes sin aislamiento, o productos para el resfriado, por un lado, las superficies calientes de $as o de paneles de calefacción radiante elctrica en las paredes o teco, paredes de mampostería solares calientan o tecos por el otro. Cadiación asimtrica causa malestar por exponiendo diferentes lados del cuerpo a las superficies a distintas temperaturas por lo tanto a diferentes tasas de calor prdida o $anancia por la radiación. 2na persona cuo lado izquierdo se expone a una "entana fría, por e!emplo, se sentirá como el calor está siendo drenada desde ese lado de su cuerpo.
¿Cómo a) la corriente de aire y b) las superficies frías del piso causan incomodidad en los ocupantes de un cuarto?
(a) 1roecto de causa enfriamiento local no deseada del cuerpo umano mediante la exposición de las partes del cuerpo a alto coeficientes de transferencia de calor. (b) El contacto directo con superficies de suelo frío causa molestias localizadas en los pies por prdida excesi"a de calor por conducción, de!ando caer la temperatura de la parte inferior de los pies para incómoda los ni"eles. ¿&ué es estratificación? ¿Es probable que ocurra en lu$ares con tec%os bajos o altos? ¿Cómo causa incomodidad térmica en los ocupantes de un cuarto? ¿Cómo puede e"itarse la estratificación?
La estratificación es la formación de capas de aire "erticales fi!as en una abitación a temperaturas de diferencia, con altas temperaturas que se producen cerca del teco. Es probable que se produzca en lu$ares con tecos altos. 4ausa molestias mediante la exposición de la cabeza los pies a diferentes temperaturas. Este efecto se puede pre"enir o minimizado mediante el uso de "entiladores destratificadores ("entiladores de teco que se e!ecutan a la in"ersa). ¿or qué es necesario "entilar los edificios? ¿Cuál es el efecto de la "entilación sobre el consumo de ener$ía para la calefacción en el in"ierno y para el enfriamiento en el "erano? ¿Es buena idea mantener encendidos los "entiladores de los cuartos de ba=o todo el tiempo? Eplique#
Es necesario "entilar los edificios para proporcionar aire fresco adecuado para desacerse del exceso de carbono dióxido de, los contaminantes, olores, la umedad. Nentilación aumenta el consumo de ener$ía para calefacción en in"ierno reemplazando el aire en el interior caliente por el aire libre de aire más frío. La "entilación tambin aumenta la ener$ía el consumo para la refri$eración en "erano, sustituendo el aire en el interior frío por el aire al aire libre caliente.
