Objetivos:
Reconocer la importancia de la transferencia de calor en los
diferentes y cuerpos y medios que se pueda presentar.
Diferenciar los tres mecanismos en los que se puede
transferir el calor.
Analizar el porqué se transfiere el calor de un cuerpo a
otro en diferentes temperaturas.
Conocer la importancia del paso de energía térmica en la
vida real.
Justificación:
Durante el
aprendizaje de los procesos de transferencia de calor se consideran de forma
gradual análisis y condiciones más complejas. Es así como se inicia con el caso
simple de conducción de calor en esto estable sin generación interna y se van ampliando
conceptos. Muchos problemas en la ingeniería involucran situaciones en las que
hay condiciones que varían con el tiempo, y se sabe también que en los procesos
de transferencia de calor ciertas variables de procesos dependen de la
variación de la temperatura de un cuerpo en función del tiempo y la posición.
Para efectos de estudio, primero se considera que la temperatura del cuerpo
solo varía con el tiempo y no con la posición. Esta práctica de laboratorio
tiene como objetivo principal estudiar la dependencia temporal de la distribución
de temperaturas dentro de un sólido.
Marco teórico:
Cuando se
ponen en contacto dos cuerpos a temperaturas diferentes, intercambiarán energía
hasta que ambos alcancen el equilibrio térmico a la misma temperatura.
El equilibrio
no es estático sino dinámico, ya que los dos cuerpos pueden intercambiar
energía a nivel microscópico, aunque dicho intercambio tiene lugar en ambas
direcciones, no habiendo en promedio intercambio neto en ninguna de las dos.
El caso más
simple es aquél en el que ambos subsistemas tienen el mismo número de
partículas, la temperatura de equilibrio es la media de las temperaturas
iniciales de ambos cuerpos
Procedimiento:
La transferencia de calor
La
transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor
temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un
objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno
u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como
transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el
cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor
siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de
la segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura
entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no
puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.
Procesos de transferencia de calor
El calor se
transfiere por medio de alguno de los siguientes procesos:
Conducción: transmisión de calor por contacto sin
transferencia de materia.
Convección: transmisión de calor por la
transferencia de la propia materia portadora del calor.
Radiación: transmisión de energía por medio de
la emisión de ondas electromagnéticas o fotones.
La
transferencia de energía térmica o calor entre dos cuerpos diferentes por
conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de
diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento
macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia
ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la
"materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por
radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La
transferencia de energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la
temperatura (T4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas
superiores a varios miles de kelvin.
Convección
de calor
La convección
es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se
produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre
zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por
medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte
de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el
fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en
contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras
que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la
caliente.
La
transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla
de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un
líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie
sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo
mecánico (convección mecánica, forzada o asistida).
En la
transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y
en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las
diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el
fluido.
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
Donde h es el
coeficiente de convección (o coeficiente de película), A{s} es el área del cuerpo
en contacto con el fluido, T{s} es la temperatura en la superficie del cuerpo y
Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.
Conducción
de calor
La conducción
de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de
calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de
materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo a mayor temperatura a otro a
menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de
los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la
conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la
resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al
paso del calor.
La transmisión
de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un
cuerpo, es el intercambio de energía interna, que es una combinación de la
energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas:
moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende
de su estructura microscópica: en un fluido se debe principalmente a colisiones
aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones
libres (principalmente en metales) o de los modos de vibración de sus
partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos).
Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor.
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