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FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
Termodinámica de la Vida I
1. Calor y Temperatura
2. Mecanismos de Transferencia de Calor:
Conducción, Convección, Radiación.
3. Tasa Metabólica Basal.
FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
Q>
W>
SISTEMA TERMODINAMICO Alrededores Calor
l Definición
l Convenio de signos
- Energía transferida por gradiente de temperatura ΔΤ/ L
- Sist. cede calor: Q <0 ; Sist. absorbe calo r Q > 0
l Unidades
- [ Q ] = 1 Julio
- 1 cal = 4.18 J Gianc. 19.
1 cal ⇒ 1 g H 2 O
T 1 = 14. 5 º C → T 2 = 15. 5 º C
Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Mecanismos transferencia de calor
l Mecanismos de transmisión
l Focos térmicos T cte
- Conducción, convección, radiación Conceptos básicos
- Sistemas que intercambian Q sin cambiar prop. termodinámicas v Radiación no necesita medio v Conducción y convección sí Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Transmisión del calor
l Mecanismos de transmisión
l Focos térmicos
- Conducción, convección, radiación Conceptos básicos
- Sistemas que intercambian Q sin cambiar prop. termodinámicas v Radiación no necesita medio v Conducción y convección sí
l Flujo espontáneo de calor
- Conducción de T altas a T bajas Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Conducción
l Modelo microscópico
- Conducción de T altas a T bajas
- Colisiones molec., electrones, etc Gianc. 19. Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Conducción
l Modelo microscópico
- Conducción de T altas a T bajas
- Colisiones molec., electrones, etc
l Ley de Fourier:
- Conductividad k: Φ cond = Q Δ t = kA T^1 − L^ T^2
T 1 T 2
T 1 >T 2
L
[ k ] ≡ W / m K
- Analogía eléctrica Φ cond = T R^1 −^ T^2 termica ; Rt = (^) kL A Φ cond (^) ≈ I ; T ≈ V ; Rt ≈ R
- Potencia transmitida: Material k (W/mK) Acero 47- Agua 0, Aire 0, Gianc. 19.
FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Convección Gianc. 19.
- Gases/líquidos: baja conductividad pV = nRT ⇒ ρ = M Rp^1 T
- Flujo de materia: v Convección en gas v Convección en líquidos
l Convección natural o libre y Convección forzada
FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Convección
l Convección natural o libre y Convección forzada
- Gases/líquidos: baja conductividad
- Flujo de materia: v Convección en gas v Convección en líquidos
- Modelo macroscópico:
Φ conv = hA ( T s − T ∞) = T Rs^ −^ T ∞
t , conv
T s
A
v Superficie sólida con T s > T ∞
T ∞
Gianc. 19. pV = nRT ⇒ ρ = M Rp T^1 Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Capa límite térmica e hidráulica 22 ºC (^) 6 ºC
SIN VIENTO
Capa límite ancha. Flujo de calor bajo 22 ºC (^) 6 ºC
CON VIENTO
Capa límite estrecha Flujo de calor alto 20 ºC Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Radiación
l Ondas electromagnéticas
- Espectro electromagnético: c =^ λ^ f Visible UV IR
- Espectro solar y terrestre Gianc. 19. Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Espectro electromagnético Propiedades Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
l Ondas electromagnéticas (OEM)
Materia : v = λ ( n ) f < c
Vacio : c = λ f = 3 ⋅ 108 m / s
n = c / v
- Índice de refracción: Gianc. 31.6, 37.1,2, Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Espectro electromagnético Propiedades Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
l Ondas electromagnéticas (OEM)
l Espectro
Materia : v = λ ( n ) f < c
Vacio : c = λ f = 3 ⋅ 108 m / s
n = c / v
- Índice de refracción:
- Energía (fotones): E^ =^ h^ f^ ;^ h^ =^6.^6 ·^10 −^34 J^ /^ s
- Luz visible: 400 – 700 nm Gianc. 31.6, 37.1,2,
FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Aplicación Conducción 11 W Transpiración 17 W Radiación Convección?? 133 W Tamb = 23 ºC Tpiel = 34ºC TMB~ 90 W Φ neto < 0
Sensación térmica: ritmo del flujo de calor
Metabolismo humano (Kane 11.7) FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
Termodinámica de la Vida II
1. Capacidad calorífica. Calor específico. Calor Molar.
2. Cambios de fase. Calores latentes.
3. Ley de Mayer de los Gases Ideales.
4. Trabajo termodinámico.
5. Primer Principio de la Termodinámica.
6. Procesos adiabáticos: formación de nubes.
7. Desorden y Entropía. Segundo Principio de la
Termodinámica.
Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
Capacidad calorífica
C = Δ QT ; [ C ] = J / K
CV = (^) Δ QT (^) V ; Cp = (^) Δ QT (^) pp
c = C m ; [ c ] = J / K kg ; c ′ = C n ; [ c ] = J / K mol
Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
Calor específico / molar
- Sólidos / líquidos: cV! cp = c Termodinámica de la Vida II Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Calorimetría Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000. Gianc. 19.3- Q = mc Δ T ; c ≠ c ( T ) Q = mL
- Cambio de temperatura:
- Cambio de fase:
- Ejemplo: Un bloque de Cobre de 100 g a 700 ºC se sumerge en un recipiente con 2 l de agua a 20 ºC. ¿Cuál es la temperatura final de la mezcla?
Q
Qced = mCucCu ( T (^) eq − TCu , i ) = − Qabs Qabs = magcag ( T (^) eq − Tag , i ) ⇒ Teq = mCuc mCuTCu , i^ +^ magcagTag , i CucCu +^ magcag
Qced + Qabs = (^0) Teq = 296 K = 23 º C Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Calores latentes
Cambios de fase
- Cambios de estado de agregación: v Fusión (SàL) / Solidif. (LàS) v Evaporación (LàG) Condens. (GàL) v Sublimación (SßàG)
- Calor en cambios de fase:
Qp ( c. f .) ⇒ Δ T = 0 , Δ p = 0
Calor latente:
L ( c. f .) = Q ( c m.^ f^ .) Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000. Gianc. 19. Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Calores latentes Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
Q Q MJ
i^ i^
4 1 = (^) ∑ = = Q 4 = mLv = 3. 38 MJ ; Lv = 2257 kJ / kg Q 2 = mLf = 500. 3 kJ ; Lf = 333. 5 kJ / kg Q 1 (^) = mcsol Δ T = 61. 5 kJ ; csol = 2. 05 kJ / kg · K
Q 3 = mcliq Δ T = 627 kJ ; cliq = 4. 18 kJ / kg · K dt kJs m kg
dQ = 1. 5 / ; = 1. 5
Gianc. 19.
- Ejemplo: calor necesario para calentar un bloque de 1.5 kg de H 2 O sólida a -20 ºC a vapor a 100 ºC
FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
Ley de Mayer
Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
Ley de Mayer (gases ideales) Cp − CV = nR
Gianc. 19. FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor H 2
Ley de Mayer
Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
Ley de Mayer (gases ideales)
Cp − CV = nR
Energía interna de gas ideal
Gianc. 19.
- Gas monoatómico: U = ( 3 / 2 ) nRT
- Gas ideal diatómico: U = ( 7 / 2 ) nRT ⎯ 250 ⎯ K ⎯ < T <⎯ 750 ⎯ K → ( 5 / 2 ) nRT
Capacidades caloríficas
Tipo de gas CV CP Monoatómico 3nR/2 5nR/ Diatómico 5nR/2 7nR/ Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor Sistema Alrededores Pext
- Proceso reversible: pext = psist= p
Trabajo
δ W = F · dx = pA · dx = p · dV
Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
Definición ( hidrostático )
v Variación infinitesimal
- Energía transferida por gradiente de presiones Δ p (macroscópico) Gianc. 19. Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
1 er^ Principio de la Termodinámica
Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
Conservación de la energía en sistemas cerrados
Q − W = U 2 − U 1
U función de estado:
Gianc. 19. Q = Δ U + W U = U ( T ) Δ U = CV Δ T v Volumen constante:
QV = Δ U = CV Δ T
v Presión constante: Qp = CV Δ T + p Δ V
δ W = F · dx = pA · dx = p · dV
Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
Procesos adiabáticos
Imágenes de la obra de Tipler “Física”. 4ª Ed. Reverté 2000.
Proceso adiabático:
- Definición: v Paredes adiabáticas v Proceso rápido Gianc. 19. Q = 0
- Consecuencias: Wad = −Δ U = − CV Δ T v Formación nubes Dr. M. Dr. Luis del Peral D. Rodríguez Frías FISICA Curso 16/17 Trasferencia de Calor
Irreversibilidad y desorden
Procesos irreversibles
- Procesos espontáneos
- Tendencia al equilibrio
- Pérdida de energía útil
Desorden en sistema
- Crece en procesos espontáneos
- Crece en sistemas en equilibrio
Irreversibilidad ≈ Desorden
Gianc. 20.1, 5-
- Estados intermedios fuera del equilibrio
