Definiciones Y Conceptos Fundamentales

Definiciones y conceptos fundamentales

• ¿Que es la transferencia de calor? • ¿Cómo se transfiere el calor? • ¿Por qué es importante su estudio?

11

¿Qué y cómo? • ¿Qué? La transferencia de calor es energía en transito debido a una diferencia de temperatura ->Siempre que exista diferencia de temperatura debe ocurrir una transferencia de calor • ¿Cómo? Existen tres modos de transferencia de calor: – Conducción – Convección – Radiación térmica

12

Conducción • Gradiente de temperatura en un medio estacionario (sólido o fluido) • El termino conducción se utiliza para referirse a la transferencia de calor a través del medio. • La conducción es un proceso de actividad atómica y molecular • Transferencia de energía de las moléculas más energéticas a las menos energéticas

13

Conducción - ejemplos

14

¿Cómo cuantificar el proceso de conducción del calor? • Ley de Fourier – En el caso de una pared plana unidimensional

dT q = −k dx " x

q

" x= Flujo de calor por unidad

de área (W/m2)

qx A

k = Conductividad térmica (W/m K) constante de proporcionalidad que depende de material. " dT T1 − T2 = x

dx

∆x

∆T ⇒ q = −k ∆x

15

Convección • Transferencia de calor entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferente temperatura. • Dos mecanismos: – Energía transferida por el

movimiento molecular aleatorio (Difusión) – Energía transferida por el movimiento global o macroscópico del fluido en presencia de gradiente de temperatura.

16

No hay cambio de fase

Procesos de transferencia de calor por convección

Convección natural

Si hay cambio de fase

Convección forzada

Condensation

Ebullición

17

¿Cómo cuantificar el proceso de convección del calor? • Ley de enfriamiento Newton

q" = h(Ts − T∞ ) con Ts > T∞

• h: Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2 K) h depende de: Condiciones en la capa límite; geometría de la superficie, rugosidad de la superficie, naturaza del movimiento del fluido (laminar o turbulento), propiedades termodinámicas y de transporte (densidad, viscosidad, conductividad, calor específico). El estudio de 18 la convección se reduce al calculo de h

Valores típicos de h

Proceso Convección libre Gases Líquidos Convección forzada Gases Líquidos Convección con cambio de phase Ebullición o condensación

h (W/m2 K) 2 - 25 50 - 1000 25 - 250 50 – 20 000 2 500 – 100 000

19

Radiación térmica • Energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita • Transporte de energía por medio de ondas

electromagnéticas

• La transmisión de la energía por radiación no requiere la presencia de un medio material. De hecho la transferencia de la radiación en el vacío es más eficaz • La radiación también puede incidir sobre una superficie desde los alrededores, el sol por ejemplo ⇒ Irradiación 20

Espectro de la radiación electromagnética

21

¿Cómo cuantificar la energía emitida por un cuerpo ? • Ecuación de Stefan-Boltzman

Eb = σ Ts4 – E: Potencia emisiva superficial. Velocidad a la que se libera la energía por unidad de área (W/m2). Eb es la energía máxima emitida por la superficie radiante. – Ts: Temperatura absoluta de la superficie (K) – σ : Constante de Stefan-Boltzman σ = 5,67 × 10 −8 W/m 2 K 4

• Flujo de calor emitido por una superficie real

E = εσ T

4 s

ε :Propiedad de la superficie llamada Emisividad 0 ≤ ε ≤1

22

¿Cómo cuantificar la energía que incide sobre una superficie desde sus alrededores? • Irradiación (G): Velocidad a la que la radiación incide sobre un área unitaria de la superficie. • Si una parte o toda de la irradiación es absorbida por la superficie La energía térmica del material aumenta

Gabs = αG

0 ≤α ≤1

α : Absortividad

• Si el cuerpo es opaco parte de la irradiación se refleja. Si la superficie es semitransparente, parte de la irradiación se transmite (pasa a 23 través del material)

Ejemplo ¾ Si se tiene un cuerpo pequeño a Ts y una superficie isotérmica más grande que rodea por completo al cuerpo pequeño. Por ejemplo las paredes de un horno a Taire (Talr ≠ Ts). La irradiacion en este caso se aproxima a la emision de un cuerpo negro a Talr

G =σ T

4

¾ Si además se supone que α = ε (superficie gris), la velocidad neta de transferencia de calor por radiación desde la superficie, expresada por unidad de área de la superficie es: q q" = = εE b (Ts ) − αG = εσ Ts4 − Talr4 A = hr Ts − Talr

(

(

)

)

24

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA (PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA) • Herramienta importante en los análisis de transferencia de calor, puesto que provee las bases para determinar la temperatura del sistema. •

En un sistema abierto y para un Instante de Tiempo dado:

Fenómenos superficiales

E& in y E& out :

Tasa de transferencia de energía mecánica o térmica a través de una superficie de control (fronteras) debido a la transferencia de calor, al flujo de fluidos

Fenómenos volumétricos

E& g

: Tasa de generación de energía térmica debida a la conversión a partir de otra fuente de energía (eléctrica, nuclear o química); es un proceso de conversión que se da al interior del sistema.

E& st

: Tasa de cambio de la energía almacenada en el sistema

25

Conservación de la Energía

dE st & & & E in − E out + E g = = E& st dt Cada término tiene unidades de J/s or W.

Para un Intervalo de tiempo

E in − E out + E g = ∆E st Cada término tiene unidades de J.

26