JUNIO DEL 2015
TRANSFERENCIA DE CALOR TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
6 UNIDAD SALINA CRUZ OAXACA
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ
Materia TRANSFERENCIA DE CALOR Actividad INVESTIGACIÓN DE LA 6 UNIDAD
Presentan JOSUÉ DE JESÚS LIZÁRRAGA RODRÍGUEZ LUIS FERNANDO MARTÍNEZ ESTEVA EDUARDO JESÚS MEDINA MORENO ALAN ALBERTO REYES ORTEGA
Profesor ING. JORGE LUIS ANTONIO GABRIEL
Carrera INGENIERÍA MECÁNICA 6-B2
Semestre SEXTO SALINA CRUZ, OAXACA 6 UNIDAD
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Introducción. En esta sexta unidad veremos el tema de transferencia de calor con cambio de fase, para comenzar hablar del tema les damos a conocer unos conceptos importantes de los cuales hablaremos en esta unidad. Es frecuente que una sustancia experimente un cambio de temperatura cuando se transfieres energía entre ella y su entorno. Hay situaciones, sin embargo, en las que la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambien de una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente como cambio de fase. Dos cambios de fase comunes son de solido a líquido (fusión) y de líquido a gas (ebullición). Todos estos cambios de fase corresponden a un cambio en energía interna, pero ningún cambio en temperatura. La cantidad de energía transferida durante un cambio de fase depende de la cantidad de sustancia de que se trate. Si la cantidad Q de transferencia de energía se necesita para cambiar de fase de una masa m de una sustancia, la razón L=Q/m caracteriza una importante propiedad térmica de esa sustancia. Debido a que esta energía agregada o eliminada no resulta en un cambio de temperatura, la cantidad L se denomina calor latente ("calor oculto") de la sustancia. El calor se transfiere, o se transmite, de cosas más calientes a cosas más frías. Si están en contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que están más calientes se enfrían y los que están más fríos se calientan. Tienden a alcanzar una temperatura común. Esta igualación de temperaturas se lleva a cabo de tres maneras: por conducción, convección y radiación. Esperemos que esta información les haya servido como base para poder entender los temas que se trataran a continuación.
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UNIDAD 6. TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE El congelamiento, el derretimiento, la evaporación y la condensación son cambios físicos de fase. Estos cambios físicos ocurren típicamente a través de una pérdida o ganancia de energía termal. Las substancias pueden guardar o liberar cantidades significantes de energía termal al cambiar de fase. Cambio de fase y calor latente Es frecuente que una sustancia experimente un cambio de temperatura cuando se transfieres energía entre ella y su entorno. Hay situaciones, sin embargo, en las que la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambien de una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente como cambio de fase. Dos cambios de fase comunes son de solido a líquido (fusión) y de líquido a gas (ebullición). Todos estos cambios de fase corresponden a un cambio en energía interna, pero ningún cambio en temperatura. La cantidad de energía transferida durante un cambio de fase depende de la cantidad de sustancia de que se trate. Si la cantidad Q de transferencia de energía se necesita para cambiar de fase de una masa m de una sustancia, la razón L=Q/m caracteriza una importante propiedad térmica de esa sustancia. Debido a que esta energía agregada o eliminada no resulta en un cambio de temperatura, la cantidad L se denomina calor latente ("calor oculto") de la sustancia. El valor de L para una sustancia depende se la naturaleza del cambio de fase, así como de las propiedades de la sustancia. De la definición de calor latente, y de nuevo seleccionando el calor como nuestro mecanismo de transferencia de energía, encontramos que la energía necesaria para cambiar la fase de una masa m dada se una sustancia pura es:
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6.1 Condensación pelicular sobre las placas verticales
Descripción del Proceso de Condensación El proceso de condensación es el cambio de fase de un gas a la fase líquida y sucede frecuentemente en fenómenos naturales; como ejemplo puede mencionarse la formación de nubes que ocasionan la lluvia, la formación del rocío en las hojas de las plantas, la formación de hielo sobre los aviones supersónicos, etc. También se requiere para la realización de ciertos procesos industriales donde es necesario para la completa operación de ciclos térmicos, ejemplos de ello son: el ciclo Rankine, ciclo de refrigeración, etc. Por lo cual es importante saber más acerca de su control. El proceso de condensación se puede producir fundamentalmente por dos mecanismos. En el primero existe la llamada condensación homogénea que ocurre con la formación de pequeñas gotas aisladas que aparecen espontáneamente en un gas, simplemente por una disminución de la temperatura cercana al valor de la temperatura de saturación, se considera que en este caso, la tensión superficial propicia la formación de gotas sin que exista la aparente necesidad de núcleos. El segundo mecanismo, es la condensación heterogénea y consiste en la formación de una película de fluido condensado sobre una superficie solida a una temperatura ligeramente menor a la de saturación, donde el vapor se condensa pasando inmediatamente a la fase líquida. Placa vertical Cuando se tiene una placa plana vertical conductora de calor, con las condiciones térmicas que se muestran en la figura 1.11. Si la temperatura del lado izquierdo de la placa se mantiene constante y es menor que la temperatura de saturación del vapor que se encuentra del lado derecho de la placa, entonces ocurre la condensación del vapor de tipo película sobre dicha superficie y se establece un flujo de condensado que desciende hasta cubrir totalmente la superficie de la placa con una delgada capa de fluido en fase liquida la cual tiene un espesor que es función directamente del número de Nusselt. En ciertas condiciones, por ejemplo, la existencia de ciertas sustancias como aceite sobre la superficie, pueden provocar que la película de condensado se rompa por diferencias de tensión superficial, formándose pequeñas gotas. Esta situación es el proceso de condensación tipo gota. La presencia de la película de 6 UNIDAD
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un fluido condensado actúa como una resistencia térmica al flujo de calor, desde el vapor hasta la superficie de condensación. La condensación tipo gota ofrece una resistencia térmica menor. Si el vapor contiene gases no condensables, estos se acumulan en la atmosfera de condensación, y contribuyen a aumentar la resistencia térmica al flujo de calor, ya que el vapor tiende a difundirse en los gases no condensables. Es debido a este efecto, que en el diseño de condensadores se debe considerar el hecho de que los vapores contengan gases no condensables.
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6.3 Ebullición. En núcleo y en punto de quemado. La ebullición es el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión de la materia en estado líquido al estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la materia, ya como gas. Este proceso es muy distinto a la evaporación, que es paulatino y para el que, en altitudes superiores, la presión atmosférica media disminuye, por lo que el líquido necesita temperaturas menores para entrar en ebullición. En una olla a presión, el agua, por ejemplo, llega a una temperatura de 120 o 130 °C antes de hervir, debido a la mayor presión alcanzada por los gases en su interior. Gracias a esta mayor temperatura del agua en el interior de la olla, la cocción de la comida se da más rápidamente. La adición de aditivos al agua puede hacer aumentar o disminuir su punto de ebullición. El proceso de ebullición del agua, especialmente a alta presión, se utiliza desde la antigüedad como medio para esterilizar el agua, debido a que algunos microorganismos mueren a esta temperatura.
Punto de ebullición La definición formal de punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del medio en el que se encuentra.1 Coloquialmente, se dice que es la temperatura a la cual la materia cambia del estado líquido al estado gaseoso. La temperatura de una sustancia o cuerpo depende de la energía cinética media de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y escapar. Este incremento de energía constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entropía del sistema (tendencia al desorden de las partículas que componen su cuerpo). El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces (dipolo permanente - dipolo inducido o puentes de hidrógeno).
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El punto de ebullición no puede elevarse en forma indefinida. Conforme se aumenta la presión, la densidad de la fase gaseosa aumenta hasta que, finalmente, se vuelve indistinguible de la fase líquida con la que está en equilibrio; ésta es la temperatura crítica, por encima de la cual no existe una fase líquida clara. El helio tiene el punto normal de ebullición más bajo (−268,9 °C) de los correspondientes a cualquier sustancia, y el carburo de tungsteno, uno de los más altos (5555 °C).
Cálculo del punto de ebullición El punto de ebullición normal puede ser calculado mediante la fórmula de Clausius-Clapeyron:
El punto de ebullición normal puede ser calculado mediante la fórmula de Clausius-Clapeyron:
donde: = es el punto de ebullición normal en Kelvin = es la constante de los gases, 8.314 J · K−1 · mol−1 = es la presión de vapor a la temperatura dada, atm = es la entalpía de vaporización, J/mol = la temperatura a la que se mide la presión de vapor, K = es el logaritmo natural
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CONCLUSIÓN. Para concluir con esta unidad encontramos situaciones en las que la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambien de una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente como cambio de fase. Esperemos que este tema les haya quedado claro.
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BIBLIOGRAFÍA.
www.unsa.edu.ar/passamai/AcumCbioFase.pdf
www.monografias.com › Fisica
https://es.scribd.com/doc/56700310/Cambio-de-Fase
https://books.google.com.mx/books?isbn=9701701704
https://www.scribd.com/.../Transferencia-de-Calor-Por-Conveccion-Con-...
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