¡Descarga Aïllament tèrmic y más Apuntes en PDF de Física solo en Docsity!
AS
- Mecanismes de transferència de calor
- Confort higrotèrmic
- Aïllants tèrmics
- Inèrcia tèrmica
- Transmissió per diversos mecanismes
- Gradient tèrmic
BLOC 5
TEMA 11 AÏLLAMENT TÈRMIC
Introducció
Un sistema termodinàmic és una part de l'univers que s'aïlla per a estudiar-lo.
L'energia interna ( U ) és la suma de les energies cinètica i potencial internes.
La temperatura és una mesura de l'energia cinètica translacional mitjana associada amb el moviment desordenat a escala microscòpica dels àtoms i de les molècules.
la unitat en el SI és el kelvin [K] (escala absoluta) i es gradua amb una grandària de grau igual a la del grau Celsius [ºC]
T (temperatura en K) = t (temperatura en ºC) + 273
Introducció
La calor ( Q ) és la transferència d'energia tèrmica des d'un sistema a un altre de menor temperatura. Els cossos no tenen calor, sinó energia interna. La calor és la transferència de part d'aquesta energia interna d'un sistema a un altre, amb la condició que estiguen a diferent temperatura.
Aquest concepte està lligat al principi zero de la termodinàmica, segons el qual dos cossos en contacte intercanvien energia fins que les seues temperatures s'equilibren.
La unitat de mesura de la calor en el SI és la mateixa que la de l'energia i el treball: el juliol [J].
Una altra unitat àmpliament utilitzada és la caloria (cal), que és la quantitat d'energia que cal subministrar a un gram d'aigua a 1 atmosfera per a elevar la seua temperatura de 14,5 a 15,5 ºC
Joule, després de múltiples experimentacions, va establir l'equivalent mecànic de la calor , 1 cal = 4,184 J
Mecanismes de transferència de calor
La calor es transfereix mitjançant conducció, convecció i radiació En la majoria dels processos reals tots es troben presents en major o menor grau.
Convecció
La convecció és el mecanisme de transmissió de la calor a través d'un medi fluid material (p. ex., aire o aigua) en virtut dels moviments macroscòpics de la massa d’aquest.
p m V
R
M
T
La llei de refredament de Newton és un model de transferència de calor per convecció:
h coeficient de convecció, en W/(m^2 K), S és la superfície que lliura calor Ts temperatura de la superfície T temperatura del fluid adjacent (temperatura de l'aire)
h · S ( T T )
t
Q
S
La convecció forçada es produeix quan el fluid és impulsat per algun element (p. ex., una bomba). La convecció natural aprofita el cicle dia/nit. CONFORT Velocitat limitada de 4-6 m/s
Transmissió de calor per mitjà de radiació electromagnètica. És emesa en totes les direccions per un cos en virtut de la temperatura que té. L'energia es produeix pels canvis en les configuracions electròniques dels àtoms o molècules del cos.
A diferència de la conducció i la convecció, o d'altres tipus d'ona, com el so, que necessiten un medi material per a propagar-se, la radiació és més efectiva en el buit. No obstant això, la velocitat, la intensitat i la direcció del flux d'energia es veuen influïts per la presència de matèria. Per a les temperatures ordinàries, la RADIACIÓ TÈRMICA es troba en la zona dels infrarojos (no visible).
Radiació
· · S ( T^4 T 04 )
t
Q
Llei de Stefan-Boltzmann : l'energia neta guanyada o perduda per segon per un cos com a resultat de la radiació és: T : temperatura del cos i T 0 temperatura de l'ambient : emissivitat característica de la superfície (0-1) : 5,67x10-8 W/ ( m^2 K^4 ) constant de Stefan-Boltzmann
Si el cos està en equilibri amb els voltants, irradia i absorbeix la mateixa quantitat d'energia la seua temperatura roman constant. Si la t del cos t de l'ambient, irradia més energia de la que absorbeix es refreda.
Confort higrotèrmic (CH) S'obté quan l'ambient permet una regulació normal de la temperatura del cos humà. L'organisme humà intercanvia calor per diferents mecanismes.
EXIGÈNCIES HIVERN
T ambient d'uns 20ºC T radiant tancaments dif. 2-4ºC Sense corrents d’aire humitat 35%
EXIGÈNCIES ESTIU
T ambient NO > 26-28ºC T radiant tancaments dif. 2-4ºC v de l’aire= 0,3 m/s T efectiva 24ºC (humitat)
Temperatura efectiva: índex de sensació tèrmica. És la temperatura de l'aire d'un recinte similar al problema, amb un 50% de (HR), velocitat de l'aire d'uns 0,20 m/s i paraments a la mateixa temperatura de l'aire, que produïra la mateixa sensació tèrmica que el recinte problema a iguals activitat i indumentària.
Sensació de satisfacció tèrmica entre els 18°C i 26°C i enfront de la humitat relativa (HR) entre 20% i 75%.
El CH depèn de:
- T ambient •grau d’humitat •radiació ( T radiant)
- v de l’aire (4-7 m/s) •activitat
Material usat en la construcció i caracteritzat per la seua alta resistència térmica. Estableix una barrera al pas de la calor entre dos medis que de forma natural tendirien a igualar les seues temperatures. Baixa conductivitat i baix coeficient d'absorció de la radiació. L'estat de la matèria més resistent al pas de calor és el gasós. No obstant això, el fenomen de convecció que s'origina en les cambres d'aire augmenta sensiblement la seua capacitat de transferència térmica. Per això s'utilitzen com a aïllament tèrmic materials porosos o fibrosos, capaços d'immobilitzar l'aire confinat a l'interior de cel·les más o menys estanques.
Se solen utilitzar com a aïllants tèrmics específics materials combinats de sòlids i gasos: fibra de vidre, llana de roca, poliestirè expandit, escuma de poliuretà, aglomerats de suro.
Aïllant tèrmic
Transmissió per diversos mecanismes
En l'intercanvi de calor entre la superfície del tancament i l'ambient s’encavallen els fluxos deguts a la radiació i la convecció (gravitatòries o són impulsats). El càlcul rigorós és complex. Per a simplificar- ho es defineix el coeficient de transferència superficial de calor h [W/m^2 ºK].
h relaciona el flux de calor q [W/m^2 ] entre una superfície i l'ambient amb la llei de
refredament de Newton: q h ·( T T )
A
En la pràctica se sol utilitzar el coeficient de resistència tèrmica superficial , referits a superfícies exteriors (Rse=1/he) i interiors (Rsi=1/hi), i els valors dels quals se solen obtenir experimentalment.
Resistència tèrmica total R (^) T i transmitància tèrmica U
Coneixent les resistències tèrmiques de les diferents capes que configuren un tancament, és possible calcular la resistència tèrmica total d'aquest tancament (hipòtesi de flux constant i règim permanent).
Amb les dades de conductivitat i espessor s'obtenen les resistències tèrmiques de cada capa , i com que el flux de calor és el mateix en cada capa:
T e i i e
e i e se se si si i
qR h
R R R
h
q h
qR qR qR q h
T q
T T T T T T T T T T T T T
3 2 1 1 2 3
2 2 1 1
Tu Tsi
T 1 T^2
Tse Et
3
2 1 2
1 1
q hi Tsi Ti R T Tsi R T T R Tse T he Te T se
R e
h U
R R R
h
R
i e
T
Càlcul de gradient tèrmic
Dades: T interna 18 ºC i T externa: 5 º
- Enlluït de guix, 15 mm, =0,26 W/mºC
- Rajola buida, 70 mm, =0,42 W/mºC
- Aïllant tèrmic, 60 mm, =0,032W/mºC
- Arrebossat (ciment), 10 mm, =1,2 W/mºC
- Rajola massissa, 115 mm, =0,65 W/mºC
Determinem els valors de h :
1/ h exterior= 0,07 m 2 ° C W-1 - 1/h interior= 0,13 m 2 ° C W-
Tenim el tancament de la figura. Calculeu i dibuixeu el gradient tèrmic.
12345
Solució
espessor ond. Tèrmiqueres. tèrmica gradient T temperatura d Rt T aire interior 18 superfície interior 0,13 0,680 17,
- enlluït 0,015 0,26 0,058 0,302 17, 17,
- rajola buida 0,07 0,42 0,167 0, 16,
- aïllant tèrmic 0,06 0,032 1,875 9, 6,
- arrebossat 0,01 1,2 0,008 0,044 6,
- rajola massiss 0,115 0,65 0,177 0,926 5, superfície exterior 0,07 0, aire exterior 5
resistència total 2, flux 5,
T
TAULA
Dades d'input en negre
(^1) R (^) e
i i h e R (^) T (^) h^1 R ^1 2
4 T q · R
T
i e R q T T 3
5
