Transferencia de calor o transmisión de calor o transferencia térmica, Ejercicios de Termodinámica

¡Descarga Transferencia de calor o transmisión de calor o transferencia térmica y más Ejercicios en PDF de Termodinámica solo en Docsity! Cuestionario Unidad 5 Corona Alvarez Pablo Yamil 18360894 April 27, 2020 Transferencia de calor o transmisión de calor o transferencia térmica La transferencia de calor es el proceso de propagación del calor en distintos medios. La parte de la física que estudia estos procesos se llama a su vez trans- ferencia de calor o transmisión de calor o transferencia térmica. La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente térmico o cuando dos sis- temas con diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperat- uras. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo sucientemente próximas, la transferencia de calor no puede ser detenida, solo puede hacerse más lenta. En general, se reconocen tres modos distintos de transferencia de calor: conduc- ción, convección y radiación, aunque, en rigor, solo la conducción y radiación debieran considerarse formas de transmisión de calor, porque solo ellas depen- den exclusivamente de un desequilibrio térmico para producirse. Para que se produzca convección, tiene que haber un transporte mecánico de masa además de una diferencia de temperatura, sin embargo, teniendo en cuenta que la con- vección también transere energía de zonas con mayor temperatura a zonas con menor temperatura, normalmente se admite el modo transferencia de calor por convección. 1 Part I Explicar el método de conducción del calor y explicar como se lleva a cabo con 5 ejemplos reales Conducción: Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio material por contacto directo entre sus partículas, cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micropartículas. El medio puede ser sólido, líquido o gaseoso, aunque en líquidos y gases solo se da la conducción pura si se excluye la posibilidad de convección. La cantidad de calor que se transere por conducción, viene dada por la ley de Fourier. Esta ley arma 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. Ejemplo 1.Al hervir agua 2.Lo largo de 3.El hielo en 4.El calor que 5.Los utencilios la llama conduce instrumentos una tasa tiene la cuchara que son calor al recipiente para manipular caliente se al dejarla en un de madera despues de carbón u derrite por recipiente y volcar para romper tiempo permite otros objetos medio de sopa caliente la conducción calentar agua muy calientes la conducción sobre él. de calor Part II Explicar el método de conducción aplicando la ley de Fourier. La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el ujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De forma vectorial:q = −k∇T donde: q: es el vector de ujo de calor por unidad de supercie (W m−2). k: es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m−1K−1). ∇T : es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material ( 2 Part V Explicar el método de radiación del calor y explicar cómo se lleva a cabo con 5 ejemplos reales Es la energía emitida por la materia en la forma de ondas electromagnéticas, como resultado de los cambios en las conguraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio interpuesto, o del contacto directo de las supercies que intercambiarán energía. De hecho, la transferencia de energía por radiación es la más rápida, a la velocidad de la luz, y no sufre atenuación o alteración en el vacío. Es de esta manera como la energía solar llega al planeta Tierra. En los estudios de Transferencia de Calor, es de interés la Radiación Térmica, que es la forma de Radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. Es diferente de las otras formas de Radiación, como los rayos X, los rayos gamma, las microondas, las ondas de radio y de televisión, que no están relacionadas con la temperatura. Todos los cuerpos a una temperatura arriba del cero absoluto emiten radiación térmica. Ejemplo 1.La transmisión 2.El calor 3.Radiación ultravioleta 4.La luz 5.La emisión de ondas emitido solar, precisamente emitida por de rayos electromagnéticas por el proceso que una lámpara gamma a través del un radiador. determina la incandescente. por parte de horno microondas. temperatura terrestre un núcleo. 5 Part VI Explicar el método de radiación de cuerpo negro, de radiación gris aplicando la ley de Stefan Boltzman La velocidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una supercie a una Temperatura T en escala absoluta Kelvin o Rankine, se expresa por la Ley de Stefan-Boltzmann, como: Donde sv=5.67x10-8 W/(m2 ∗K4), o bien 0.1714x10-8 Btu/(h ∗ ft2 ∗R4) es la constante de Stefan-Boltzmann. La supercie idealizada que emite radiación a esta velocidad máxima se llama cuerpo negro y la radiación emitida por éste es la radiación del cuerpo negro. La radiación emitida por todas las supercies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura, y se expresa como: En donde e es la Emisividad de la supercie. La emisividad cuyo valor está en el intervalo 0 <= e <= 1, es una medida de cuán próxima está una supercie de ser un cuerpo negro, para el cual la emisividad es igual a Otra propiedad importante, relacionada con la radiación de una supercie, es su absortividad a, la cual es la fracción de la energía de radiación incidente sobre una supercie que es absorbida por ésta. Como la emisividad, su valor está en el intervalo de 0 a 1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente sobre él. Es decir, un cuerpo negro es un absorbente perfecto, del mismo modo que es un emisor perfecto. Tanto la emisividad como la absortividad de una supercie dependen de la temperatura y de la longitud de onda de la radiación. La ley de Kirchho de la radiación arma que la emisividad y la absortividad de una supercie a una temperatura y longitud de onda dadas son iguales. En muchas aplicaciones prácticas, las temperaturas de la supercie y de la fuente de radiación incidente son del mismo orden de magnitud y la absortividad promedio de una supercie se considera igual a su emisividad promedio. La velocidad a la cual una supercie absorbe la radiación se determina a partir de: Donde Qincidente es la velocidad a la cual la radiación incide sobre la su- percie y a es la absortividad de la supercie. Para las supercies opacas (no transparentes), la parte de la radiación incidente no absorbida por la supercie 6 se reeja. La diferencia entre las velocidades de la radiación emitida por la supercie y la radiación absorbida es la transferencia neta de calor por radiación. Si la velocidad de absorción de la radiación es mayor que la de emisión, se dice que la supercie está ganando energía por radiación. De lo contrario, se dice que la supercie está perdiendo energía por radiación. En general, la determinación de la velocidad neta de la transferencia de calor por radiación entre dos supercies es un asunto complicado, ya que depende de las propiedades de las supercies, de la orientación de una con respecto a la otra y de la interacción del medio que existe entre ellas con la radiación. Cuando una supercie de emisividad e y área supercial As que se encuentra a una temperatura absoluta Ts, está completamente encerrada por una supercie mucho mayor (o negra) que se encuentra a la temperatura absoluta Taire y separada por un gas como el aire, que no interviene con la radiación, la rapidez neta de transferencia de calor por radiación entre estas dos supercies se expresa por: En este caso especial, la emisividad y el área supercial de la supercie cir- cundante no tienen efecto sobre la transferencia neta de calor por radiación. La transferencia de calor por radiación hacia una supercie, o desde ésta, rodeada por un gas como el aire, ocurre paralela a la conducción (o convección, si se tiene un movimiento masivo del gas) entre esa supercie y el gas. Por tanto, la transferencia total de calor se determina al suma las contribuciones de los dos mecanismos de transferencia. Por practicidad esto se lleva a cabo con fre- cuencia mediante la denición de un coeciente combinado de transferencia de calor, hcombinado, que incluye los efectos tanto de la convección como de la radiación. Entonces, la velocidad total de transferencia de calor hacia una su- percie, o desde ésta, por convección y radiación se expresa como: Hay que notar que el coeciente combinado de transferencia de calor es un coeciente de transferencia de calor por convección modicado para incluir los efectos de la radiación. La radiación suele ser signicativa con relación a la conducción o a la con- vección natural, pero despreciable con relación a la convección forzada. Por tanto, en las aplicaciones de convección forzada se suele descartar la radiación, en especial cuando las supercies que intervienen tienen emisividades bajas y temperaturas de bajas a moderadas. 7