lunes, 30 de noviembre de 2015
Ley de Fourier de transmición de calor
(Segunda clase)
La cantidad de calor transferido por conducción en una dirección dada es proporcional al área que va el flujo de calor y a cómo disminuye la temperatura en dicha dirección. Es decir, que la cantidad de calor que se va a perder depende de la superficie del material en contacto con ese flujo y de lo mucho o poco que disminuya la temperatura en dicha dirección. La constante de proporcionalidad es la conductividad térmica.
La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.
LEY DE FOURIER DE TRANSMISIÓN DE CALOR
La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que s la capacidad de los materiales paa oponerse al paso de calor.
La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos entre diferentes partes de un cuerpo, es le intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas. moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica en un fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres principalmente en metales o de los modos de vibración de sus partículas microscópicas dominantes en los materiales no metálicos.
Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor.
La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos entre diferentes partes de un cuerpo, es le intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas. moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica en un fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres principalmente en metales o de los modos de vibración de sus partículas microscópicas dominantes en los materiales no metálicos.
Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor.
La ecuación que describe la conducción térmica se conoce como ley de Fourier, en este caso el campo Ψ es la temperatura T, y el coeficiente α=K/(ρc), donde K, es la conductividad térmica, ρ la densidad, y c es el calor específico del material. La conducción del calor se establece siempre que exista un gradiente o diferencia de temperaturas entre dos puntos de una barra metálica.
Se estudia cada uno de los fenómenos en dos partes:
- Se calcula la solución de la ecuación diferencial que gobierna el proceso.
- Se simulan los fenómenos a partir de mecanismos básicos simples. La simulación nos permitirá explicar las facetas esenciales de la descripción matemática del fenómeno en cuestión.
NOTA: Siempre va a pasar del cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura
q=Energía/ área*tiempo
La ley de Fourier puede expresarse en términos deflujo de calor,
. El flujo de calor se define como la velocidad de transmisión de calor por unidad de área perpendicular a la dirección del flujo. La velocidad de transmisión de calor se denomina también potencia.
. El flujo de calor se define como la velocidad de transmisión de calor por unidad de área perpendicular a la dirección del flujo. La velocidad de transmisión de calor se denomina también potencia.
De la ecuación anterior podemos decir que: En medios homogéneos e Isótropos, la máxima velocidad de transmisión por conducción se produce en la dirección del gradiente de temperatura, por que la densidad del flujo de calor y el gradiente de temperatura son vectores colineales.
En medios homogéneos pero anisótropos, la máxima velocidad de transmisión por conducción no se produce en la dirección del gradiente de temperatura, porque la dirección de la densidad del flujo de calor y del gradiente de temperatura no son en general coincidentes.
En general el coeficiente de conductividad de una sustancia depende de la presión y la temperatura. Para los gases κ aumenta con la temperatura, mientras que en los líquidos y sólidos puede aumentar o disminuir.
La cantidad de calor transferido por conducción en una dirección dada es proporcional al área que va el flujo de calor y a cómo disminuye la temperatura en dicha dirección. Es decir, que la cantidad de calor que se va a perder depende de la superficie del material en contacto con ese flujo y de lo mucho o poco que disminuya la temperatura en dicha dirección. La constante de proporcionalidad es la conductividad térmica.
La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.
Donde:
es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x
(o λ) es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica
es la temperatura.
el tiempo.
Introducción a la transferencia de calor
(Primera clase)
1era ley --> Conservación --> Cantidad
2da ley --> Entropía --> Calidad
3era ley --> temperatura
TRANSFERENCIA DE CALOR
- Nuclear
- Potencial
- Cinética
- Térmica
- Interna
ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR
Es común que en los sistemas de Ingeniería y entre otras situaciones que se dan a diario desde lo más simple como a hervir agua, calentar los alimentos en el microonda, hasta aplicaciones de la transferencia de calor más complejas que se encuentran en grandes plantas e industrias, entre las más puntuales tenemos las siguientes:
- El cuerpo humano está emitiendo calor en forma constante hacia sus alrededores y la comodidad humana está ligada con la velocidad de rechazo de calor.
- Los seres humano controlamos la velocidad de transferencia de calor cuando usamos ropa que vaya de acuerdo a las condiciones del ambiente .
En cuanto a aparatos domésticos que utilizamos en nuestro día a día se han diseñado aplicando los principios de la transferencia de calor tales como:
- La estufa eléctrica o de gas.
- el sistema de calefacción o acondicionamiento del aire.
- El refrigerador y el congelador.
- Calentador de agua.
- La computadora, reflexión y la reproductora de video.
La transferencia de calor a principios del siglo XIX se concebía el calor como un fluido invisible llamado calórico que fluía de los cuerpos más calientes hacia los más fríos, pero a mediados de este siglo gracias a la física se pudo entender con más claridad la naturaleza del calor, como resultado se desarrolló la teoría cinética la cual significa que sus moléculas ligeramente pequeñas están asociadas al movimiento aleatorio de los átomos y moléculas, luego surgieron otras definiciones del calor donde lo llamaron la "fuerza viva" hasta mediados del siglo XIX se basaba en la teoría del calórico propuesta por el químico Lavoisier, la teoría del calórico describe que el calor es como un fluido ya que no contiene masa, no tiene color y es insipido.
la transferencia de
calor es una materia de estudia impartida en la programación académica de
carreras como ingeniería química, ingeniería aeroespacial, ingeniería electromecánica, ingeniería industrial, ingeniería agrícola o ingeniería mecánica. como tiene múltiples aplicaciones podemos
ver que tiene un largo alcance. Otras disciplinas
donde se puede ver métodos de transferencia de calor es en los tratamientos
térmicos de alimentos, conversión de energías o procesamiento de materiales.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN INGENIERÍA QUÍMICA
En la transferencia de calor existen varios equipos, máquinas, aparatos que se utilizan en las plantas, empresas e industrias algunas de ellos son de diseño a gran escala entre ellos están los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, las refrigeradoras y los colectores solares, en la práctica podemos observar de:
- capacidad normal.
- De dimensionamiento.
Prácticamente todas las
operaciones que ese llevan a cabo en la industria química conlleva un
intercambio de energía térmica. En la mayoría de procesos industriales se
calienta materia y en muchas ocasiones es necesario recuperar en calor con el
objetivo de ahorrar. La forma en que se transfiere el calor se logra con
diversos dispositivos produciendo que el campo de aplicación sea bastante
extenso.
La manera en que se
transfiere calor se logra cuando dos
cuerpos que están a diferentes temperaturas entran en contacto produciendo que
el cuerpo de mayor temperatura transfiera calor al de menor temperatura hasta
llegar a un equilibrio, en consecuencia la temperatura de uno de los cuerpos
disminuirá y la temperatura del otro aumentara.
La transferencia de
calor puede llevarse a cabo gracias a tres mecanismos posibles como lo son
conducción, convección y radiación. En la conducción consiste en la
transferencia de calor a través de medios sólidos donde los cuerpos presentan
diferentes temperaturas. La convección es un método de transferencia el cual se
emplea utilizando un medio para producirse, este medio es un fluido (liquido o
gas) el cual transporta el calor entre las zonas de diferentes temperaturas.
Finalmente en la radiación se transfiere
el calor a través de ondas electromagnéticos. Las aplicaciones se basan en los
mecanismos de calor y cada caso se basa en los aspectos mas importantes del
funcionamiento de los equipos.
El intercambiador de
calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios que
estan separadas por una barrera, el proceso se lleva a cabo mediante dos
mecanismo como lo son la conducción y convección. Este dispositivo es muy
empleado en la industria ya que la
mayoría de procesos se dan acabo a temperaturas especificas por lo cual se debe
calentar o enfriar los componentes.
Las calderas o
generadores de vapor son otro dispositivo muy empleado en la industria ya que
sirve para calentar o evaporar el agua para diversas aplicaciones generando
vapor a altas presiones (las cuales accionan turbinas),agua muy caliente o para
calentar otros fluidos. Para poder instalar una caldera se emplean otros
componentes necesarios.
Los condensadores
térmicos son una aplicación de los intercambiadores de calor el cual tiene como
fin condensar vapores removiendo sus calores latentes. Se utilizan en plantes
de fuerza de vapor, plantas de procesos químicos y plantas eléctricas nucleares
para vehículos especiales. Las torres de
enfriamiento extrae calor del agua
mediante evaporación o convección, el agua es reutilizada cuando se enfría y se
la introduce como agua de proceso.Los hornos industriales proporcionan un alto flujo de calor y lo
mantiene en un compartimento cerrado, el objetivo de este calentamiento puede
ser variado. Cuando se diseñan
equipos que contengan los dispositivos donde interviene la transferencia de
calor se aplican el cálculo de esta transferencia de energía a fin de llevarlo
a cabo de manera eficiente y en condiciones controladas.
ECUACIÓN DE LA ENERGÍA INTERNA
La energía es una
magnitud física que la relacionamos con la capacidad de realizar un trabajo. Sabemos
que la materia posee energía por su misma naturaleza, la energía interna, como
su relación con el medio externo. así se pueden definir diferentes tipos de
energía como la energía de movimiento
que se denomina energía cinética, la energía potencial la cual es la energía
relacionada con la posición de un cuerpo y su entorno, la energía térmica, la
energía nuclear y también su transformaciones de unas formas en otras.
la energía interna es
una magnitud resultante de la suma de las energías macroscópicas (en forma de
calor y trabajo) tales como la energía interna y la energía potencial que se
encuentran presentes en las partículas o moléculas que posea un cuerpo. la
variación de energía interna es independiente del proceso, sólo depende del
estado inicial y final, por lo que se dice que es una función del estado.
dU=Uf-Uo
por
consecuente la variación dela energía interna en un ciclo es nula
dUciclo= 0
si se analiza la
energía interna en los sólidos y líquidos (ya que estos tienen mayor fuerza
molecular que los gases) en un sistema cerrado esto será igual a la suma de las
energías presentes en el sistema en forma de calor y trabajo
dU=Q-W
cuando se trate con gas
ideal hay que tener presente que aquí que la energía interna dependerá de la
temperatura ya que se toma en cuenta solo la energía cinética que este gas
posea, por consiguiente cuando más elevada sea la temperatura habrá más
velocidad y actividad al nivel molecular lo cual provocara una elevación en la
energía interna. si no hay cambio de
estado alguno en un sistema se habla variación de energía interna sensible o
calor sensible. Si se producen cambios de estado o cambios en la composición química se habla de la variación de la
energía interna o calor latente.
ΔU= nC (Tf - To)
la energía interna
relacionada con los enlaces atómicos se obtiene mediante la división del núcleo
o la unión de dos átomos la energía generada es energía calorífica la cual es
recolectada por los reactores nucleares. Esta energía generada o absorbida
durante las reacciones químicas se le denomina energía nuclear.
Este fenómeno en la cual
hay un intercambio de energía de un
sistema con su entorno se denomina entalpia. la entalpia es la energía interna más
el resultado del volumen del elemento por la presión constante.
en definitiva cono toda
materia existente está formada por partículas y moléculas por lo cual todo
cuerpos independientes de su estado o composición química poseen energía
interna
Bibliografía:
- Textos guía Bird (fenómeno de transporte)
- Texto guía Cengel (capítulo I, página 2-5)
- http://www.circpau.org/pdf/2.10.0.1.termodinamica_basica.pdf
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