Capítulo 18. Transferencia de calor

1. Capítulo 18. Transferencia de calor Presentación PowerPoint de Paul E. Tippens, Profesor de Física Southern Polytechnic State University © 2007

2. LA TRANSFERNCIA DE CALOR se minimiza mediante múltiples capas de revestimiento beta. Este y otros materiales aisladores protegen la nave espacial de condiciones ambientales hostiles. (NASA)

3. Objetivos: Después de terminar esta unidad, deberá: • Demostrar su comprensión de conducción, convección y radiación, y dar ejemplos. • Resolver problemas de conductividad térmica con base en cantidad de calor, longitud de trayectoria, temperatura, área y tiempo. • Resolver problemas que involucran la tasa de radiación y la emisividad de superficies.

4. Conducción Dirección De caliente a frío. Transferencia de calor por conducción Conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve.

5. Transferencia de calor por convección Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado. El fluido calentado se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección. Convección La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.

6. Radiación Atómico Sol Transferencia de calor por radiación Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas. ¡No se requiere medio!

7. Tipos de transferencia de calor Considere la operación de una cafetera común: Piense en cómo se transfiere calor por: ¿Conducción? ¿Convección? ¿Radiación?

8. vapor hielo Corriente calorífica La corriente caloríficaH se define como la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t en la dirección de mayor temperatura a menor temperatura. Unidades típicas son: J/s, cal/s y Btu/h

9. t1 t2 H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m2) Dt = t2 - t1 Dt = diferencia de temperatura L = grosor del material Conductividad térmica La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

10. Caliente Frío Para cobre: k = 385 J/s m C0 Las unidades SI para conductividad Taken literally, this means that for a 1-m length of copper whose cross section is 1 m2 and whose end points differ in temperature by 1 C0, heat will be conducted at the rate of 1 J/s. En unidades SI, por lo general mediciones pequeñas de longitudL y área A se deben convertir a metros y metros cuadrados, respectivamente, antes de sustituir en fórmulas.

11. Dt = 1 F0 t = 1 h A=1 ft2 Q=1 Btu L = 1 in. Unidades antiguas de conductividad Unidades antiguas, todavía activas, usan mediciones comunes para área en ft2, tiempo en horas, longitud en pulgadas y cantidad de calor en Btu. k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0 Tomado literalmente, esto significa que, para una placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya área es 1 ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0, el calor se conducirá a la tasa de 5.6 Btu/h.

12. Material 385 2660 Cobre: Concreto o vidrio: 0.800 5.6 Tablero de corcho: 0.040 0.30 Conductividades térmicas A continuación se dan ejemplos de los dos sistemas de unidades para conductividades térmicas de materiales:

13. 2050 kJ/s 4980 Btu/h Aluminio: 3850 kJ/s 9360 Btu/h Cobre: Concreto o vidrio: 8.00 kJ/s 19.4 Btu/h Tablero de corcho: 0.400 kJ/s 9.72 Btu/h Ejemplos de conductividad térmica Comparación de corrientes caloríficas para condiciones similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0

14. 200C 120C t = 1 h A Q = ¿? Dt = t2 - t1 = 8 C0 0.015 m Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m de ancho y 6 m de alto. La superficie interior está a 20 0C y la superficie exterior a 12 0C. ¿Cuántos joules de calor pasan a través de esta ventana en una hora? Suponga L =1.5 cm y que k = 0.8 J/s m C0. A = (2 m)(6 m) = 12 m2 Q = 18.4 MJ

15. ti -200C 250C HA Flujo estacionario 8 cm 12 cm Ejemplo 2:La pared de una planta congeladora está compuesta de 8 cm de tablero de corcho y 12 cm de concreto sólido. La superficie interior está a -200C y la superficie exterior a +250C. ¿Cuál es la temperatura de la interfaz ti? Nota:

16. ti -200C 250C HA Flujo estacionario 8 cm 12 cm Ejemplo 2 (Cont.):Encontrar la temperatura de interfaz para una pared compuesta. Al reordenar factores se obtiene:

17. ti -200C 250C HA Flujo estacionario 8 cm 12 cm Ejemplo 2 (Cont.):Al simplificar se obtiene: 0.075ti + 1.50C = 250C - ti ti = 21.90C De donde: Conocer la temperatura de interfaz tipermite determinar la tasa de flujo de calor por unidad de área, H/A. La cantidad H/A es igual para corcho o concreto:

18. ti -200C 250C HA Flujo estacionario 8 cm 12 cm Ejemplo 2 (Cont.):Flujo estacionario constante. H/A es constante en el tiempo, de modo que diferentes k producen diferentes Dt Corcho:Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 Concreto:Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0 Dado que H/A es el mismo, elija sólo concreto:

19. ti -200C 250C HA Corcho:Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0 Concreto:Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0 Flujo estacionario 8 cm 12 cm Ejemplo 2 (Cont.):Flujo estacionario constante. Note que 20.7 Joulesde calor por segundo pasan a través de la pared compuesta. Sin embargo, el intervalo de temperatura entre las caras del corcho es 13.5 veces más grande que para las caras del concreto. Si A = 10 m2, el flujo de calor en 1 h sería ______ 745 kW

20. Radiación La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área). Tasa de radiación (W/m2): Emisividad, e: 0 > e > 1 Constante de Stefan-Boltzman:s= 5.67 x 10-8 W/m·K4

21. Encuentre potencia radiada A 6270C Ejemplo 3: Una superficie esférica de 12 cm de radio se calienta a 627 0C. La emisividad es 0.12. ¿Qué potencia se radia? A = 0.181 m2 T = 627 + 273; T = 900 K Potencia radiada desde la superficie: P= 808 W

22. Resumen: Transferencia de calor Conducción: La energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve. Convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento masivo real de un fluido calentado. Radiación es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante ondas electromagnéticas.

23. t1 t2 H = corriente calorífica (J/s) A = área superficial (m2) Dt = t2 - t1 Dt = diferencia de temperatura L = espesor del material Resumen de conductividad térmica La conductividad térmica k de un material es una medida de su habilidad para conducir calor.

24. La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área). Rate of Radiation(W/m2): R Emisividad, e: 0 > e > 1 Constante de Stefan-Boltzman:s= 5.67 x 10-8 W/m·K4 Resumen de radiación

25. Resumen de fórmulas

26. CONCLUSIÓN: Capítulo 18Transferencia de calor