POLITECNICO GRANCOLOMBIANO FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS BÁSICAS COORDINACIÓN DE FÍSICA – Módulo: Módulo: Fluidos y termodinámica
Trabajo colaborativo: Mecanismos de transferencia del calor
El calor se puede transferir por tres mecanismos: conducción, convección y radiación. En una situación particular pueden estar presentes los tres.
Conducción, explicado por la ley de Fourier.
Convección, explicado por la ley de Newton.
Radiación, explicado por la ley de Stefan-Boltzmann.
Desarrollo del trabajo 1. Fase teórica
Leer el documento “ mec_tranf_calor-1.pdf ” de Cengel, en el enlace: https://drive.google.com/open?id=0B2_DfT2TWetwY2NHc1lOcEpuVFk (Enlaces a un sitio externo.)Enlaces a un sitio externo Cuál es el significado del signo menos en la ley de Fourier.
El signo negativo se debe a que el calor y la temperatura se conducen en igual dirección, entonces la temperatura a medida que transcurre el tiempo o también llamado gradiente de temperatura va disminuyendo, esto hace que se vuelva negativo y el signo menos ayuda a que la transferencia de calor nos arroje un valor positivo ya que se encuentra en el eje x positivo creciente.
Establecer la diferencia entre convección forzada y convección natural.
Su diferencia es que en la convección forzada como su nombre lo dice el fluido se ve forzado a fluir, por ejemplo cuando le ponemos un ventilador a algo caliente, ahí se está forzando, y la convección natural es cuando se da sin necesidad de colocar nada, esta sucede con el cambio de temperatura del fluido, ejemplo cuando dejamos en un cuarto que se enfrié una sopa, donde ninguna fuerza externa lo esta forzando.
Cuál es la principal diferencia entre la transferencia de energía por radiación con las de conducción y convección.
La diferencia de estas radica que la radiación se emite por ondas electromagnéticas entonces esta no necesita de un medio para que suceda, además es muy rápida (a la velocidad de la luz).
Qué tipo de radiación electromagnética está directamente relacionada con el calor.
Según el autor la “radiación térmica , que es la forma de radiación que emiten los cuerpos debido a su temperatura”
A qué hace referencia el autor del texto cuando dice "la radiación es considerada en general como un fenómeno superficial para sólidos opacos a la radiación térmica".
Esto quiere decir que hay materiales como madera, roca y metales que su radiación emitida en el interior de ellos nunca alcanzaran la superficie, además la radiación que en ellos incide se absorbe en unas pequeñas partes de la superficie.
A qué se denomina radiación de cuerpo negro.
La radiación de cuerpo negro es cuando una superficie o cuerpo es capaz de absorber toda la radiación pero también es capaz de emitir toda la radiación, por eso se dice que es un emisor y absorbedor perfecto con
Defina emisividad y absorbancia.
Emisividad: es esa propiedad que tiene una superficie para emitir la radiación, si intervalo va de 0 < < 1.
Absorbancia: es una propiedad que tiene una superficie para poder absorber la parte de la energía que incide en él, su intervalo es de 0 < α< 1.
Brevemente explique la ley de radiación de Kirchhoff.
La ley de Kirchhoff nos dice que la emisividad y la absorbencia son iguales a las mismas temperaturas y longitud de onda, por lo tanto la emisividad y la absorbencia promedio se considera igual en una superficie, la tasa de absorción se determina así:
Para determinar la tasa neta de transferencia de calor entre dos superficies se vuelve difícil porque depende de las propiedades de la superficie, sin embargo hay una forma de hallarla cuando la superficie es más pequeña encerrada en otra superficie más grande, para esto su fórmula es así:
Resolver los ejercicios subrayados del documento “ejercicios_tranf_R.pdf ”. Nota: no adjuntar documentos Word, pdf u otros, el procedimiento de solución debe estar en el foro del grupo. https://drive.google.com/open?id=0B2_DfT2TWetweUFmS015TlM0eWs(Enlaces a un sitio externo.)Enlaces a un sitio externo.
2-95) Las superficies interna y externa de un muro de ladrillo, de 5 m x 6 m, con 30 cm de espesor y conductividad térmica 0.69 W/m · °C, se mantienen a las temperaturas de 20 °C y 5 °C, respectivamente. Calcule la tasa de transferencia de calor a través de la pared, en W.
Bajo condiciones estables, la tasa de transferencia de calor a través de la pared es:
2-96) Las superficies interna y externa del vidrio de una ventana de 2 m x 2 m x 0.5 cm
de dimensiones están a 15 °C y 6 °C, respectivamente, en invierno. Si la conductividad térmica del vidrio es 0.78 W/m · °C, calcule la cantidad de pérdida de calor, en kJ, a
través del vidrio, durante 10 h. ¿Cuál sería su respuesta si el vidrio tuviera 1 cm de espesor? En condiciones estables, la velocidad de transferencia de calor a través del vidrio por conducción es:
La cantidad de calor transferido durante un período de 10 h se convierte en:
¿Cuál sería su respuesta si el vidrio tuviera 1 cm de espesor? Si el espesor del vidrio se duplica a 1 cm, entonces la cantidad de calor transferido bajará a la mitad.
2-98) Un perol de aluminio, cuya conductividad térmica es 237 W/m · °C, tiene un fondo plano de 20 cm de diámetro y 0.4 cm de espesor. Se transmite constantemente calor a agua hirviente en el perol, por su fondo, a una tasa de 500 W. Si la superficie interna del fondo del perol está a 105 °C, calcule la temperatura de la superficie externa de ese fondo de perol.
El diámetro es 20cm luego el radio será de 0,1 cm, entonces el área seria:
En condiciones estables, la velocidad de transferencia de calor a través del fondo de la cacerola por conducción es:
Reemplazo los datos y sustituyo:
2-99) Los vidrios interno y externo de una ventana de doble vidrio de 2 m x 2 m están a 18 °C y 6 °C, respectivamente. Si el espacio de 1 cm entre los dos vidrios está lleno de aire inmóvil, determine la tasa de transferencia de calor a través de la capa de aire por conducción en kW.
La conductividad térmica del aire a temperatura ambiente es k = 0.026 W / m.° C
2-100) Dos superficies de una placa de 2 cm de espesor se mantienen a 0 °C y 100 °C, respectivamente. Se determina que el calor atraviesa la placa a una tasa de 500 W/m2. Calcule la conductividad térmica de la placa.
Despejo k y me queda:
2-101) Para fines de transferencia de calor, se puede modelar a un hombre quieto como un cilindro de 30 cm de diámetro y 170 cm de longitud, con las superficies
superior e inferior aisladas, y la superficie lateral a 34 °C en promedio. Calcule la tasa de pérdida de calor de este hombre, para un coeficiente de transferencia de calor por convección de 15 W/m2 · °C, en un ambiente a 20 °C. La superficie de transferencia de calor de persona es:
La transferencia de calor por convección es:
2-102) Una esfera de 9 cm de diámetro, cuya superficie se mantiene a la temperatura de 110 °C, está colgada en el centro de un recinto a 20 °C. Si el coeficiente de transferencia de calor por convección es 15 W/m2 · °C, y la emisividad de la superficie es 0.8, calcule la tasa total de transferencia de calor desde la esfera.
La superficie de transferencia de calor es:
La tasa total de transferencia de calor desde la esfera es:
Aquí los °c los convierto a kelvin para mayor facilidad.
2-104) Se sopla aire caliente a 80 °C sobre una superficie plana de 2 m x 4 m, a 30 °C. Si el coeficiente de transferencia de calor por convección es 55 W/m2 · °C, determine la tasa de transferencia de calor del aire a la placa, en kW.
La tasa de transferencia de calor del aire a la placa es:
2-105) Se deja una plancha de 1,000 W sobre la tabla de planchar, con su base al aire, que está a 20 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección natural entre la superficie de la base y el aire que la rodea es 35 W/m2 · °C. Si la emisividad de la base es 0.6, y su área es 0.02 m2, calcule la temperatura de la base de la plancha.
Sustituyo las dos ecuaciones 1 y 2
Se resuelve probando hasta que coincida el valor de 1000W. Y este nos arroja un valor de:
2-106) Una chapa metálica delgada está aislada en su cara trasera, y su cara delantera está expuesta a la radiación solar. La superficie expuesta de la chapa tiene 0.8 de absorbencia, para radiación solar. Si esta radiación incide sobre la placa con una potencia de 450 W/m2, y la temperatura del aire que la rodea es 25 °C, determine la temperatura de la chapa, cuando la pérdida de calor por convección es igual a la energía solar absorbida por la placa. Suponga que el coeficiente de transferencia de calor por convección es 50 W/m2 · °C, y desprecie la pérdida de calor por radiación.
2-108) Un tubo de 5 cm de diámetro externo y 10 m de longitud, con agua a 80 °C, pierde calor al aire que la rodea, a 5 °C, por convección natural; el coeficiente de transferencia de calor es 25 W/m2 · °C. Calcule la tasa de pérdida de calor del tubo, por convección natural, en kW.
La superficie de transferencia de calor es:
Convección natural:
2-109) La superficie externa de una nave en el espacio exterior tiene 0.6 de emisividad, y 0.2 de absorbencia para la radiación solar. Si esta radiación incide sobre la nave a una tasa de 1 000 W/m2, determine la temperatura superficial de la nave, cuando la radiación emitida es igual a la energía solar absorbida.
Cancelo el área A y despejo
2-111) Un recipiente esférico de acero, cuyo diámetro exterior es 20 cm, y cuya pared hueca tiene el espesor de 0.4 cm, se llena con agua y hielo a 0 °C. La superficie externa está a 5 °C. Calcule la tasa aproximada de pérdida de calor a través de la esfera, y la rapidez con que se funde el hielo en el recipiente.
La conductividad térmica del hierro es k = 80,2 W / m ⋅ ° C. El calor de fusión del agua es de 1 atm es de 333,7 kJ / kg. La superficie de transferencia de calor es:
La tasa aproximada de pérdida de calor a través de la esfera es:
La rapidez con que se funde el hielo en el recipiente es :
Describir el funcionamiento de:
Termómetros de mercurio: Este tipo de termómetros funciona gracias a una propiedad de los líquidos: se dilatan al aumentar la temperatura y se contraen cuando disminuye. En concreto, contienen un pequeño depósito con el líquido, conectado a un tubo muy fino por el que se puede elevar la sustancia (normalmente un capilar). Cuando aumenta la temperatura, el líquido coloreado se dilata y sube por el interior del tubo.
Termómetros de alcohol: se emplean para medir la temperatura del aire en el exterior, Cuando se pone el termómetro en agua caliente, el líquido se dilata o expansiona. Entonces, el líquido no cabe en el recipiente y una parte comienza a subir por el tubo. Cuanto más se calienta el líquido, más sube por el tubo. Deja de subir cuando está tan caliente como el agua.
Termistores: es un elemento de detección de temperatura compuesto por material semiconductor sinterizado que presenta un gran cambio en la resistencia en proporción a un cambio pequeño en la temperatura. En general, los termistores tienen coeficientes de temperatura negativos, lo que significa que la resistencia del termistor disminuye a medida que aumenta la temperatura.
Termocuplas: este tipo de termómetro funciona cuando se calienta la soldadura de dos metales distintos se produce fuerza electromotriz. Los termopares se encargan de medir la temperatura basándose en dicha fuerza electromotriz.
REFERENCIAS
Cengel Yunus A. (2011). Mecanismos de transferencias de energía. Recuperado de: https://drive.google.com/file/d/0B2_DfT2TWetwY2NHc1lOcEpuVFk/view
Como funciona. (2016). Como http://comofunciona.co.com/un-termistor/
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https://www.quiminet.com/articulos/los-termometros-funcionamiento-y-tipos-2637622.htm
Rincón de la ciencia. (2007). como funciona un termómetro. http://rincondelaciencia.educa.madrid.org/Simulaci/termometro/term.html
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