Transferencia de Calor, Apuntes de Informática

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TRANSFERENCIA DE

CALOR

Fís. Carlos Adrián Jiménez Carballo

Escuela de Física

Instituto Tecnológico de Costa Rica

Objetivos

Al finalizar esta sección el estudiante deberá ser capaz de

• Identificar los tres tipos de transferencia de calor.
• Identificar el concepto de conductividad térmica.
• Identificar la ley de Fourier para flujos de calor estacionarios.
• Calcular el flujo de calor por conducción usando la Ley de Fourier.
• Identificar la ley de Stefan-Boltzmann.
• Interpretar el concepto de emisor ideal.
• Calcular el flujo de calor por radiación usando la Ley de Stefan- Boltzmann

Contenido

Transferencia de calor por conducción

Transferencia de calor por convección

Transferencia de calor por radiación

Contenido

Transferencia de calor por conducción

Transferencia de calor por convección

Transferencia de calor por radiación

Conductores y aislantes térmicos

Dentro de los sólidos se tienen dos categorías generales: metales , los cuales, por lo general, son buenos conductores del calor, y esto se debe a que estos tienen un gran número de electrones que pueden moverse libremente. La segunda categoría son no metales (tela, madera), los cuales tienen un número relativamente pequeño de electrones libres lo que hace que estos sean malos conductores del calor.Un mal conductor del calor se denomina aislante térmico.

En general, la capacidad de una sustancia para conducir calor depende de su

fase. Los gases son malos conductores térmicos; sus moléculas están

relativamente separadas y por ello los choques son poco frecuentes. Los

líquidos y sólidos son mejores conductores térmicos que los gases, ya que sus

moléculas están más juntas y pueden interactuar con mayor facilidad.

Ley de Fourier

Si existe una diferencia de temperaturas en un material, el calor fluirá de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. La ley de Fourier sirve para cuantificar la conducción y dice que la tasa a la cual el flujo es transferido por conducción, H = (^) ∆ Qt , es proporcional al gradiente de temperaturas dTdx y al área transversal A a la dirección de flujo

H = − kA

dT dx

donde k es la conductividad térmica del material y el signo menos es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica, la cual requiere que el calor fluya de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. Por otro lado hay que tener presente que el gradiente de temperatura dTdx indica que la temperatura T es función de x , por lo tanto, un gradiente de temperatura negativo indica que la temperatura decrece al aumentar los valores de x.

Nota: La unidad de H en el SI es el Watt 1 W = J/s

Flujo de calor H : Paredes planas

El caso más simple en el estado estacionario en una dimensión es el del flujo de

calor en una pared plana, en donde se considera que el gradiente de

temperatura y el flujo de calor no varían con el tiempo, y además el área de la

sección transversal permanece invariante.

Se puede demostrar que el flujo calor de dicha pared plana se determina

H =

dQ dt

= kA

TH − TC

L

donde la resistencia térmica se define como

R = k/L

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Transferencia de calor por conducción

Transferencia de calor por convección

Transferencia de calor por radiación

Convección forzada y convección natural

Como ejemplos conocidos tenemos los sistemas de calefacción domésticos de aire caliente y de agua caliente, el sistema de enfriamiento de un motor de combustión y el flujo de sangre en el cuerpo.

Por otro lado si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se llama convección forzada ; si el flujo se debe a diferencias de densidad causadas por expansión térmica, como el ascenso de aire caliente, el proceso se llama convección natural.

El mecanismo de transferencia de calor más importante dentro del cuerpo

humano (necesario para mantener una temperatura casi constante en diversos

entornos) es la convección forzada de sangre, bombeada por el corazón.

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Transferencia de calor por conducción

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Transferencia de calor por radiación

Radiación y absorción

Un cuerpo que emite radiación a una temperatura T también absorbe radiación del entorno el cual se encuentra a temperatura Ts. Un cuerpo que irradia y absorbe tiene un flujo de calor neto, el cual se determina

Hneto = eAσ

T^4 − T (^) s^4

En esta ecuación, un valor positivo de H implica salida neta de calor del

cuerpo.

Bibliografía

• Sears, F.W., Zemansky, M.W., Young, H.D., Freedman, R.A. (2013). Física Universitaria. Volumen I. Décimo tercera edición. México: Pearson Education.
• Resnick, R., Halliday, D., Krane, K. (2013). Física. Volumen I. 5ta. Edición. México: Grupo Editorial Patria.
• Wilson, J.D., Buffa, A.J. y Lou, B. (2007). Física. 6ta Edición. México: Pearson educación.
• Kreith, F., Manglik, R. M., Bohn, M. S. (2012). Principles of Heat Transfer. 7ma Edición. Cengage Learning.