DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PROCESOS
MANUAL DE LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
EDISON GIL PAVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE PROCESOS
UNIVERSIDAD EAFIT
MEDELLIN
2009
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Degradación Fotocatalítica de Fenol y sus Productos Intermedios: Un Estudio Cinético, Apuntes de Calor y Transferencia de Masa
Manual de laboratorio transferencia de calor
Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 73
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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PROCESOS
MANUAL DE LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
EDISON GIL PAVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE PROCESOS
UNIVERSIDAD EAFIT
MEDELLIN
INDICE
- Introducción PÁGINA
- Seguridad en el Laboratorio
- Fundamentos de transferencia de calor
- Microcurrículo Laboratorio de Transferencia de Calor
- Instructivo para la elaboración de preinforme
- Instructivo para la elaboración del informe
- Acuerdo de rendimiento del grupo
- Formulario de evaluación por cada miembro del grupo
- Caldera
- Evaporadores
- Intercambiadores de Calor
- Calorímetro
- Transferencia de Calor por conducción
- Transferencia de Calor por convección
- Transferencia de Calor en aletas
- Operaciones de Secado
- Práctica no estructurada
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COMPETENCIAS A DESARROLLAR (expresados como resultados de aprendizaje)
9 El profesional en formación luego del curso, tendrá las herramientas básicas para resolver problemas de transferencia de calor, tanto en estado estable como en estado transitorio. 9 Reconocer las herramientas termodinámicas que se utilizan en los problemas de transferencia de calor. 9 Comprender los mecanismos de transferencia de calor y sus aplicaciones. 9 Comprender la transferencia de calor en estado estable e inestable y aplicar modelos matemáticos para comprender este tipo de situaciones. 9 Capacidad de aplicación de conceptos físicos, matemáticos, químicos para el estudio de las operaciones básicas de la Ingeniería de Procesos. 9 Desarrollar la capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica. 9 Desarrollar la habilidad para identificar, plantear y resolver problemas relacionados con la transferencia de calor.
La principal contribución que desearía aportar con esta edición del manual es la de ofrecer un instrumento que ayude a cumplir los objetivos de los laboratorios de Ingeniería de Procesos. Estos objetivos son:
- Coadyuvar a la asimilación de los conocimientos y conceptos desarrollados en la asignatura teórica.
- Complementar y contrastar la experiencia teórica con la experimental.
- Integrar los conocimientos de manera vertical.
- Desarrollar las habilidades de planeación, diseño, ejecución y análisis de experimentos para la resolución de problemas.
- Reforzar las habilidades de comunicación oral y escrita.
Es importante que la experimentación se aleje del seguimiento de una receta..." y más adelante que "... lo central de estos laboratorios (Ingeniería de Procesos) es el reforzamiento de los conceptos que se estudian en cada asignatura. Debido a ello, estos laboratorios estarían integrados al curso correspondiente. En cuanto a la integración de conocimientos, sería importante que en los experimentos se usaran, además de lo propio de la materia que se estudia, conceptos de cursos anteriores".
Con este manual se quiere contribuir al trabajo del Área de Operaciones Unitarias, interesada en la formación integral de los Ingenieros de Procesos, capaces de identificar, plantear, evaluar y resolver problemas técnicos, de ingeniería y económicos, mediante el conocimiento y la aplicación de los métodos de las ciencias y de la ingeniería, con una actitud reflexiva, creativa, integradora, crítica y ética al identificar los problemas, generar alternativas de solución, resolverlos y evaluar sus resultados. Para los estudiantes :
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La asignatura de Laboratorio de Transferencia de Calor tiene el propósito de enseñarte hacer experimentos relacionados con los principales conceptos de la asignatura de Transferencia de Calor, para que puedas verlos ilustrados en algunos sistemas, en muchas ocasiones sencillos; para que también puedas desarrollar algunos modelos que representan los procesos de transferencia que se dan el tales sistemas, a partir del conocimiento de los equipos de laboratorio diseñados y existentes para la realización de dichas experiencias, cuyas principales características deberás descubrir para generar un modelo físico conceptual simple del proceso en cuestión, de modo que la aplicación de tus conocimientos teóricos te permita establecer los balances de materia y energía pertinentes, resolverlos con sus particulares condiciones iniciales y de frontera, que deberás también indagar y proponer, cuidando que sean al menos aproximadamente realizables en la práctica. Luego habrás de identificar, a partir de la solución, cuáles son los datos de laboratorio que deberás tomar, los parámetros físicos, químicos y geométricos que deberás conocer, así como otra información pertinente que deberás buscar, tanto en el laboratorio como en la biblioteca. Una vez que has cumplido esta etapa, estás en la posibilidad de diseñar tu experimento: elegir un sistema, es decir un material adecuado, elaborar un formato de " Hoja de datos de laboratorio " que contenga toda la información requerida del experimento, planear la secuencia de las actividades a desarrollar en el transcurso del experimento, previendo cuales serán los instrumentos periféricos de servicio y de medición que vas a requerir a partir de un conjunto de alternativas. Estas son las actividades que te permitirán realizar una experiencia de laboratorio ilustrativa y estimulante, son tu preparación para obtener el máximo de tu trabajo experimental. En el pre-reporte de la práctica incluirás todos los aspectos arriba señalados, para mostrar que te has preparado convenientemente para llevar a cabo la experiencia.
La realización misma del experimento te brindará otras riquezas, continuarás aprendiendo a "mover las manos", pero también es muy importante que agudices todos tus sentidos, que observes y relaciones lo que sucede en tu sistema y sus alrededores, que interpretes lo que observas de acuerdo a tus conocimientos de toda la carrera y si lo crees conveniente pruebes mejoras al sistema , tratando de obtener los mejores resultados. Con esto queremos decir que trates de saber por ejemplo, si tu sistema es realmente isotérmico, si está bien agitado, si causas las mínimas perturbaciones posibles al tomar las muestras alícuotas necesarias para determinar la concentración, si no existen gradientes de presión o concentración indeseables que podrían inducir algún efecto inadecuado, entre otras... Hacerte preguntas en este sentido te formarán como profesionista cuidadoso y serio en su trabajo y te permitirán obtener buenos resultados y la satisfacción de conocer un poco más del comportamiento de los materiales y sistemas de la ingeniería. En esta etapa anotarás todos los datos en tu hoja de datos de laboratorio y todas las observaciones que consideres importantes, ocurridas en el transcurso del experimento.
Por último, con tus datos de laboratorio deberás encontrar los parámetros o funciones deseadas. Cuidarás en el reporte de tus resultados el análisis de las incertidumbres y elaborarás pruebas de hipótesis para asignarles el grado de confianza que correspondan. Esto te permitirá acotar la validez de tus conclusiones y sugerencias. El reporte final es el producto íntegro de tu trabajo en cada práctica. Deberás cuidar que refleje la calidad y la cantidad del trabajo realizado y que muestre la variedad y riqueza de tus experiencias asociadas al desarrollo de la práctica. Por ello deberás incluir la mayor parte de las secciones que se te solicitaron en el pre-reporte, pero ahora
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SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
1. INTRODUCCIÓN
Al intentar definir los riesgos que se pueden presentar en un laboratorio nos encontramos que muchos de ellos son comunes en diversas áreas industriales, como los riesgos derivados de la electricidad, de la utilización de equipos a presión, de incendio entre otros. Sin embargo, existen otros que son propios del trabajo cotidiano de un laboratorio. Los laboratorios del sector químico-industrial, químico-farmacéutico, químico-textil o químicos de docencia, se caracterizan por el hecho de que en ellos se manipulan productos químicos, muchos de los cuales son potencialmente peligrosos. Este documento tiene como objeto la toma de conciencia por parte de los responsables del laboratorio y su transmisión al resto del personal, sobre los peligros, muchas veces no visibles, que ocasiona la manipulación de productos químicos.
Los riesgos potenciales que se presentan en los laboratorios químicos son muchos por el empleo de productos químicos peligrosos que generan riesgos de toxicidad, explosión y/o incendio; además de los riesgos causados por equipos eléctricos, cortaduras, quemaduras que pueden revestir gravedad. No obstante se observen y practiquen normas de seguridad adecuadas, suceden accidentes por falla humana o condiciones difíciles de prever que surgen en un momento determinado. En los trabajos que realizan los laboratorios químicos hay, además diferencias considerables en su naturaleza y alcance. Existen igualmente discrepancias obvias entre organizaciones grandes y pequeñas en cuanto a la escala de recursos disponibles para proporcionar asesoría en temas relacionados con la salud y la seguridad. Es de anotar, que la responsabilidad por la seguridad de los individuos recae sobre cada uno de nosotros y de las personas involucradas en el proceso, en todos sus niveles y no sólo sobre aquellos que tienen la autoridad administrativa. Una actitud positiva frente a los buenos hábitos de seguridad en el trabajo, es una responsabilidad de todos los que estén implicados.
Un laboratorio bien organizado y bien administrado es mucho más seguro y presenta pocos riesgos para la salud. Esto es reconocido en las normas sobre seguridad e higiene del trabajo, el cual generalmente requiere que el coordinador del laboratorio prepare un informe escrito sobre la política de salud y seguridad. La política de seguridad en un laboratorio es la clave para obtener altos valores de seguridad y salud en cualquier lugar.
A manera de recordatorio mencionare algunos de los puntos más importantes.
- El uso de bata en el laboratorio es obligatorio cuando se realizan experimentos. Para realizar algunas manipulaciones de sustancias químicas también deben usarse guantes, lentes protectores y mascarillas. Para las sesiones de laboratorio es recomendable vestir ropa sencilla, que proteja la mayor parte del cuerpo y preferentemente de algodón, zapatos cerrados, con suelas gruesas y sin tacones o plataformas.
- No introducir ni consumir alimentos o bebidas en el laboratorio. No fumar.
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- Operar un instrumento o equipo solamente cuando sabes hacerlo, de otra manera solicitar ayuda al profesor, monitor o del técnico del laboratorio, para adquirir la destreza necesaria.
- Una vez concluido el uso de un equipo o instrumento, seguir el procedimiento adecuado para apagarlo, desconectarlo, guardarlo y entregarlo en buenas condiciones, al responsable de su custodia.
- Al concluir una práctica, levantar todos los instrumentos, equipos y accesorios utilizados, verificar que todas las tomas de agua, gas, aire u otras en el lugar de trabajo estén bien cerradas y dejar limpias y secas las mesas de trabajo y el piso del laboratorio. 2. RIESGOS QUÍMICOS
Todas las sustancias químicas ofrecen riesgos para la salud y la seguridad bajo ciertas condiciones. Este tipo de sustancias presentan una o más de las siguientes características:
❈ Inflamabilidad ❈ Reactividad espontánea ❈ Propiedades de oxidación o reducción poderosas. ❈ Propiedades irritantes o corrosivas altas. ❈ Toxicidad aguda o crónica. ❈ Propiedades mutagénicas y carcinogénicas.
3. SUSTANCIAS INFLAMABLES
Muchos laboratorios presentan alto riesgo de incendio, causados por el almacenamiento y manejo de sustancias inflamables, líquidas, gaseosas o sólidas. Se debe presentar atención especial a la prevención de incendios en el diseño y operación de prácticas de laboratorio. La magnitud de los riesgos por sustancias inflamables depende de las propiedades fisicoquímicas de la sustancia así como de la cantidad involucrada. Para un líquido, el punto de combustión, la temperatura de autoignición, los límites de explosión, la densidad del vapor y la habilidad para acumular cargas electrostáticas, son factores muy importantes. Debe considerarse igualmente que la posibilidad de estos riesgos se incrementan como resultado de un aumento en la cantidad de oxígeno. Casi todos los vapores inflamables pueden ser encendidos por fuentes comunes, tales como llamas o superficies incandescentes, pero algunas sustancias (por ejemplo: ciertos éteres, aldehídos, bisulfito de carbono, etc), pueden ser encendidas a temperaturas más bajas, como aquellas provocadas por recipientes calientes, hornos y tuberías sin aislar. Pueden ocurrir incendios o explosiones cuando los vapores inflamables se mezclan con el oxígeno en proporciones comprendidas dentro de los valores críticos conocidos como los límites de explosión. LEB (límite explosivo bajo) y LEA (límite explosivo alto). Para la mayoría de los disolventes el LEB se encuentran en el intervalo comprendido entre el 1 y 5 % en el aire, es por eso que una buena ventilación es esencial para minimizar el riesgo de que se forme una atmósfera inflamable o explosiva cuando se utilizan esta clase de sustancias. Los vapores provenientes de líquidos inflamables son más densos que el aire y tienden a permanecer al nivel del piso en donde se puede esparcir sobre amplias áreas. Se debe tener cuidado para minimizar la producción de dichos vapores y por consiguiente los riesgos de incendio asociados que puedan ser provocados
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garganta, mientras que sustancias poco solubles, como por ejemplo bióxido de nitrógeno, fosgeno, bióxido de azufre, pueden penetrar profundamente en los pulmones. La irritación de la nariz y la garganta pueden no presentarse con algunas sustancias, por esta razón no se deben tomar como único síntoma.
6. SUSTANCIAS TÓXICAS
La naturaleza y magnitud de los efectos tóxicos dependen de muchos factores los cuales incluyen la naturaleza de las sustancias, la vía de ingreso al organismo, la magnitud de la dosis, la frecuencia y duración de la dosis y la susceptibilidad del individuo. Todas las sustancias químicas son potencialmente tóxicas para la salud. El grado de toxicidad puede ser estimado mediante el conocimiento de exposiciones parecidas o por experiencias previas si es que estas existen. Los datos acerca de la toxicidad pueden ser obtenidos de investigaciones o desarrollos importantes, de pruebas de laboratorio realizadas, de estudios epidemiológicos acerca de la incidencia de enfermedades o muertes en ciertos grupos de la población, o mediante analogías con las propiedades de otros materiales químicos que tengan estructuras similares.
Los efectos tóxicos pueden ser agudos o crónicos, locales o sistémicos. Los efectos agudos generalmente resultan de exposiciones cortas y frecuentemente son reversibles; los efectos crónicos son generalmente el resultado de exposiciones prolongadas o repetidas y frecuentemente son irreversibles. La inhalación de gases, de humo o de vapores y la absorción subsecuente a través de los pulmones es una vía muy rápida hacia el torrente sanguíneo. La velocidad de absorción depende de varios factores tales como: La velocidad de la respiración, la concentración atmosférica de la sustancia tóxica y su solubilidad en los fluidos del tejido.
7. RIESGOS FÍSICOS
En los laboratorios químicos, los riesgos pueden variar entre factores físicos que incluyen ruido y vibración, radiación en todas sus formas y temperaturas o presiones extremas.
Ruido y Vibración
Los efectos del ruido pueden ser sicológicos (los ruidos pueden asustar, incomodar o interrumpir la concentración. O fisiológicos (pérdida gradual de la audición o dolores en el oído como consecuencia de una exposición severa). El ruido puede también afectar la ejecución del trabajo en otras formas, como la interrupción de la comunicación oral.
La vibración es generalmente diferenciada del ruido por ser esta un fenómeno acústico no auditivo, reconocido por el tacto. Este puede causar efectos adversos para otras partes del cuerpo diferentes del oído.
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8. TÉCNICAS PELIGROSAS
Experimentos de oxidación y reacciones que involucren riesgos de explosión.
La escala de todo trabajo de oxidación, a menos de que sea reconocida como segura, debe ser mantenida en lo mínimo. Las personas involucradas deben conocer los límites de combustión de las mezclas gaseosas y deben procurar , en lo posible, trabajar fuera del rango de explosión. Se debe recordar que los cambios en la temperatura o la presión modifican estos rangos. La magnitud de la máxima liberación posible de energía debe ser siempre considerada. En el caso en que el aparato no es capaz de contener dicha liberación, este se debe colocar en una cámara extractora.
Si se necesita mezclar gases reactivos con gases inertes, se debe utilizar un recipiente correctamente diseñado para la mezcla. Dicho recipiente amortiguará los cambios en la línea de presión y las variaciones en las concentraciones, los gases que salen deben ser convertidos en no combustibles.
Ciertos líquidos pueden oxidarse formando peróxidos inestables como derivados o intermedios, por ejemplo: cuando ciertos éteres o aldehídos son oxidados. Las personas encargadas de este tipo de experimentos deben conocer el límite superior para alcanzar la formación de peróxido.
Manejo de material de vidrio
Muchos accidentes en los laboratorio se deben al manejo de los elementos de vidrio. Los estudiantes deben ser entrenados en el corte, doblaje y fundición de tubos de cristal y en el ensamble y desmonte de equipo de vidrio si dichas operaciones forman parte de sus actividades. El calentamiento de material de vidrio puede aumentar los riesgos. La forma más segura y efectiva de calentar material de vidrio a temperaturas altas es usar un manto eléctrico particularmente cuando se trata de líquidos inflamables, el manto debe ser del tamaño apropiado para el frasco que se está calentando. Pero antes se debe asegurar que la clase de vidrio que este utilizando resista el calentamiento, tal como el vidrio pyrex. Se debe evitar calentar líquidos inflamables con llama abierta o al baño María sobre una llama, para este fin puede usarse, baños de aceite o de arena, pero siempre deben ser ajustados con un termostato a menos de que se encuentren bajo un control directo. El mechero tipo Bunsen colocado debajo de un trípode con malla de asbesto se puede utilizar para materiales no inflamables, pero se debe resaltar la importancia de hacer un calentamiento inicial moderado. El calentamiento inicial moderado es también recomendable en el uso de tubos de combustión a base de gas. Evite someter el material de vidrio a choques térmicos bruscos. En ningún caso debe agregarse un líquido sobre material de vidrio que esté caliente, máximo si el líquido es inflamable.
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SEISO: Limpiar el sitio de trabajo y las máquinas. SEIKETSU: Mantener altos niveles de organización y limpieza. SHITSUKE: Capacitación a todo el personal.
ELIMINAR LO INNECESARIO
❈ Eliminar los subalmacenes en diferentes áreas. ❈ Botar lo que no sirve o enviarlo a recuperación de activos. ❈ Salir de todo aquello que es obsoleto. ❈ Acabar los guardaderos de cachivaches o caletas.
UN LUGAR PARA CADA COSA Y CADA COSA EN SU LUGAR
❈ Se trata de organizar las cosas de acuerdo con su uso para lo cual se deben crear y determinar lugares fijos para las cosas y crear la cultura continua de devolver siempre las cosas a su lugar de origen después de usarlas. esto suena fácil pero es muy difícil al principio. Después se vuelve inconsciente y automático de tal manera que hace falta. ❈ Evitar los arreglos provisionales o los autoengaños, como ahorita lo arreglo y otros por el estilo. las cosas se arreglan ya y punto. ❈ Se deben seguir reglas de dedo como: Organizar de acuerdo con el uso de las cosas, y además: Lo más pesado abajo, lo más liviano arriba. Lo que más se usa más cerca, lo que menos se usa puede estar mas lejos.
LIMPIAR EL SITIO DE TRABAJO Y LAS MAQUINAS
❈ Lavar los pisos y las máquinas con agua y jabón o lo más indicado. ❈ Recoger continuamente basuras y escombros al realizar un trabajo ❈ Pintar la oficina y los equipos. ❈ Pintar señalizaciones y códigos de identificación de equipos, oficinas y sistemas. ❈ Demarcar áreas de circulación, áreas de peligro, áreas de evacuación, de acceso, de estacionamiento.
MANTENER ALTO GRADO DE ORGANIZACIÓN Y LIMPIEZA
❈ Se debe ser cada vez mas exigente y realizar periódicamente este tipo de labores o a través de una programación. ❈ Premiar y destacar a través de carteleras y medios de comunicación la labor de los grupos. ❈ Utilizar las fotografías de antes y después, para promover acciones y para motivar.
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CAPACITAR EL PERSONAL PARA QUE REALICEN ESTAS TAREAS
❈ Dar ejemplo. ❈ Dictar charlas al personal sobre este programa. ❈ Visitar regularmente las diferentes áreas de trabajo, especialmente las mas escondidas ❈ Dividir la empresa en áreas de responsabilidad con límites bien definidos y que este mapa se despliegue en carteleras para que todo el personal lo conozca. ❈ Explicar a los estudiantes los beneficios que se obtienen al aplicar estos principios.
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1. LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
Newton estudió el fenómeno de la transferencia de calor y demostró que en el enfriamiento de cuerpos que no están demasiado calientes se cumple una ley sencilla. Según ésta ley empírica la razón con que cambia la temperatura de un objeto es proporcional a la diferencia entre su temperatura y la del medio que le rodea, que es la temperatura ambiente. Si la temperatura de un cuerpo es T 1 y la temperatura del ambiente que lo rodea T 0 , encontró experimentalmente que el
calor perdido, Q , por el cuerpo en un tiempo t es
Q = ( const )( T 1 - T 0 ) t
Esta es denominada ley de enfriamiento de Newton_._ Ahora sabemos que es solo aproximadamente cierta, y en el supuesto de que T 1 (^) - T 0 no sea demasiado grande.
Al ser aplicada solo para diferencias de temperatura no muy grandes y contener un sustento experimental y no teórico, Newton demuestra inconsistencias en la formulación de dicha ley. Es importante ver que esta ley contempla los efectos combinados de la conducción, convección y radiación.
2. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor.
2.1. Ley de Fourier
Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). Sea J la densidad de corriente de energía (energía por unidad de área y por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura.
Siendo K una constante característica del material denominada conductividad térmica.
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Figura 1. Elemento diferencial que transfiere calor por conducción
Consideremos un elemento de la barra de longitud dx y sección S (figura 1). La energía que entra en el elemento de volumen en la unidad de tiempo es JS , y la que sale es J’S. La energía del elemento cambia, en la unidad de tiempo, en una cantidad igual a la diferencia entre el flujo entrante y el flujo saliente.
Esta energía, se emplea en cambiar la temperatura del elemento. La cantidad de energía absorbida o cedida (en la unidad de tiempo) por el elemento es igual al producto de la masa de dicho elemento por el calor específico y por la variación de temperatura.
Igualando ambas expresiones, y teniendo en cuenta la ley de Fourier, se obtiene la ecuación diferencial que describe la conducción térmica:
2.2. Solución analítica
Supongamos una barra metálica de longitud L (figura 2), conectada por sus extremos a dos focos de calor a temperaturas Ta y T (^) b respectivamente. Sea T 0 la temperatura inicial de la barra cuando se conectan los focos a los extremos de la barra.
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3. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua (figura 3). El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.
Figura 3. Flujo en una tetera debido a la transferencia de calor por convección.
4. TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN
Radiación del cuerpo negro
La teoría estadística de la radiación representó un gran papel en el desarrollo de la teoría cuántica. La teoría electromagnética clásica de la luz, que había explicado un amplio círculo de fenómenos vinculados con la propagación de la luz, y que había logrado aceptación general a fines del S. XIX, a principios del S. XX se encontró con dificultades insuperables en relación con el problema de la emisión de la luz y, en particular, con el de la radiación térmica. Entendemos por radiación térmica toda la radiación emitida por un cuerpo calentado. El carácter de la luz emitida y, en particular, su intensidad, como también la dependencia de ésta respecto de la
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frecuencia (composición espectral de la radiación) están determinados por la temperatura y la naturaleza del cuerpo emisor. Sin embargo, hay un caso en que la composición espectral de la radiación es independiente de la naturaleza del emisor y viene determinada exclusivamente por su temperatura. Se trata de la llamada radiación de equilibrio.
Imaginemos una cavidad cerrada, con paredes que no dejan pasar el calor y mantenidas a una determinada temperatura T. Las paredes de la cavidad emitirán y absorberán ondas electromagnéticas. Dado que toda la radiación electromagnética se encuentra confinada en la cavidad cerrada, al cabo de un cierto tiempo se establecerá en el sistema un estado de equilibrio estadístico. Las paredes de la cavidad emitirán, por unidad de tiempo, la misma energía electromagnética que absorben. En la cavidad existirá un sistema de ondas electromagnéticas estacionarias que no variarán con el tiempo.
La densidad de energía del correspondiente campo electromagnético dentro de la cavidad se expresa como:
π
ρ 8
E^2 + H^2
La radiación térmica contendrá diferentes frecuencias. La densidad de energía ρ^ ( v )que corresponde a un intervalo de frecuencias dado d v , será distinta, evidentemente, para las diferentes frecuencias. La densidad de energía de la radiación de frecuencia dada dependerá también de la temperatura T de las paredes emisoras. De esta manera,
ρ = ρ ( v , T )
Un simple razonamiento termodinámico prueba sin embargo, que ρ ( v , T )es independiente de la
naturaleza del emisor, en particular, de las paredes (de las propiedades absorbentes y emisoras, del estado de la superficie, etc.). Consideremos, dos cavidades cuyas paredes se calientan hasta la misma temperatura (figura 4), pero constituidas por materiales distintos. Supongamos que la densidad de la energía espectral de la radiación dependa de la naturaleza del emisor y sea diferente en una y otra cavidad. Entonces, poniendo en comunicación ambas cavidades, es posible romper el equilibrio. La radiación pasará a aquella cavidad en la que su densidad sea menor. Como resultado de esto, la densidad de radiación de dicha cavidad crecerá, las paredes de la misma absorberán más energía, y su temperatura se elevará. Entre las paredes de ambas cavidades se establece una diferencia de temperaturas que se puede utilizar para obtener trabajo útil.