Capítulo 18. Transferencia de calor
Presentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University
©
2007
LA TRANSFERNCIA DE CALOR se
minimiza mediante múltiples capas de
revestimiento beta. Este y otros materiales
aisladores protegen la nave espacial de
condiciones ambientales hostiles. (NASA)
Objetivos: Después de terminar
esta unidad, deberá:
• Demostrar su comprensión de
conducción, convección y radiación, y
dar ejemplos.
• Resolver problemas de conductividad
térmica con base en cantidad de calor,
longitud de trayectoria, temperatura,
área y tiempo.
•
Resolver problemas que involucran la
tasa de radiación y la emisividad de
superficies.
Transferencia de calor por
conducción
Conducción es el proceso por el que la energía térmica se
transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes
dentro de un material. El medio en sí no se mueve.
Conducción
Dirección
De
caliente
a frío.
Transferencia de calor por
convección
Convección es el proceso por el que
la energía térmica se transfiere
mediante el movimiento masivo real
de un fluido calentado.
El fluido calentado se eleva y luego
se sustituye por fluido más frío, lo
que produce corrientes de
convección.
La geometría de las superficies
calentadas (pared, techo, suelo) afecta
significativamente la convección.
Convección
Transferencia de calor por radiación
Radiación es el proceso por el que
la energía térmica se transfiere
mediante ondas electromagnéticas.
Radiación
Atómico
Sol
¡No se requiere medio!
Tipos de transferencia de calor
Considere la operación de una cafetera común:
Piense en cómo se
transfiere calor por:
¿Conducción?
¿Convección?
¿Radiación?
Corriente calorífica
La corriente calorífica H se define como la
cantidad de calor Q transferida por unidad de
tiempo  en la dirección de mayor temperatura
a menor temperatura.
vapor
hielo
H 
Q

( J / s)
Unidades típicas son: J/s, cal/s y Btu/h
Conductividad térmica
La conductividad térmica k de un
material es una medida de su
habilidad para conducir calor.
t1
t2
H = corriente calorífica (J/s)
A = área superficial (m2)
Dt = t2 - t1
Dt = diferencia de temperatura
L = grosor del material
H 
Q


kA D t
L
k 
QL
A D t
Unidades

J
s  m  C
Las unidades SI para conductividad
Caliente
Frío
k 
QL
A D t
Para cobre: k = 385 J/s m C0
Taken
literally,
that mediciones
for a 1-m length
En
unidades
SI,this
pormeans
lo general
2 and
of
copper
whose
cross
section
is
1
m
pequeñas de longitud L y área A se deben
0,
whose
end
points
differ
in
temperature
by
1
C
convertir a metros y metros cuadrados,
heat will be conducted
rate of
J/s.
respectivamente,
antes at
de the
sustituir
en1fórmulas.
Unidades antiguas de conductividad
Dt = 1 F0
1h
A=1 ft2
Q=1 Btu
L = 1 in.
Unidades antiguas, todavía
activas, usan mediciones
comunes para área en ft2, tiempo
en horas, longitud en pulgadas y
cantidad de calor en Btu.
k de vidrio = 5.6 Btu in/ft2h F0
Tomado literalmente, esto significa que, para una
placa de vidrio de 1 in de espesor, cuya área es 1
ft2 y cuyos lados difieren en temperatura por 1 F0,
el calor se conducirá a la tasa de 5.6 Btu/h.
Conductividades térmicas
A continuación se dan ejemplos de los dos sistemas de
unidades para conductividades térmicas de materiales:
Material
J/s  m  C
o
B tu  in/ft  h  F
2
Cobre:
385
2660
Concreto o
vidrio:
0.800
5.6
Tablero de
corcho:
0.040
0.30
0
Ejemplos de conductividad térmica
Comparación de corrientes caloríficas para condiciones
similares: L = 1 cm (0.39 in); A = 1 m2 (10.8 ft2); Dt = 100 C0
2050 kJ/s
4980 Btu/h
3850 kJ/s
9360 Btu/h
Concreto o
vidrio:
8.00 kJ/s
19.4 Btu/h
Tablero de
corcho:
0.400 kJ/s
9.72 Btu/h
Aluminio:
Cobre:
Ejemplo 1: Una gran ventana de vidrio mide 2 m
de ancho y 6 m de alto. La superficie interior está
a 20 0C y la superficie exterior a 12 0C. ¿Cuántos
joules de calor pasan a través de esta ventana en
una hora? Suponga L = 1.5 cm y que k = 0.8 J/s
m C0.
0C
0C
2
20
12
A = (2 m)(6 m) = 12 m
H 
Q


kA D t
L
L
(0.8 J/m  s  C )(12 m )(8 C )(3600 s)
0
Q 
; Q 
kA D t
2
0.0150 m
Q = 18.4 MJ
A =1h
Q = ¿?
0
Dt = t2 - t1
= 8 C0
0.015 m
Ejemplo 2: La pared de una planta congeladora
está compuesta de 8 cm de tablero de corcho y 12
cm de concreto sólido. La superficie interior está a
-200C y la superficie exterior a +250C. ¿Cuál es la
temperatura de la interfaz ti?
Nota:  H 
 A  corcho
0
k1  t i  (  20 C ) 
L1
k1 ( t i  20 C )
0
L1
H
 
 A  concreto
ti
250C
0
k 2  25 C - t i 

L2
0

-200C
k 2 (25 C - t i )
L2
H
A
Flujo
estacionario
8 cm 12 cm
Ejemplo 2 (Cont.): Encontrar la temperatura
de interfaz para una pared compuesta.
k1 ( t i  20 C )
0
0

L1
k 2 (25 C - t i )
-200C
ti
250C
L2
H
A
Al reordenar factores se obtiene:
k1 L 2
k 2 L1
( t i  20 C )  (25 C - t i )
k1 L 2
k 2 L1
0
0
Flujo
estacionario
8 cm 12 cm
(0.04 W /m  C )(0.12 m )
0

(0.8 W /m  C )(0.08 m )
0
 0.075
Ejemplo 2 (Cont.): Al simplificar se obtiene:
(0.075)( t i  20 C )  (25 C - t i )
0
0
-200C
0.075ti + 1.50C = 250C - ti
250C
H
A
ti = 21.90C
De donde:
ti
Conocer la temperatura de interfaz
Flujo
estacionario
ti permite determinar la tasa de flujo
8 cm 12 cm
de calor por unidad de área, H/A.
La cantidad H/A es igual para corcho o concreto:
H 
Q


kA D t
L
;
H
A

k Dt
L
Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constant
H/A es constante en el tiempo, de modo
que diferentes k producen diferentes Dt
-200C
ti
250C
Corcho: Dt = 21.90C - (-200C) = 41.9 C0
H
A
Concreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0
H 
Q


kA D t
L
;
H

A
k Dt
Flujo
estacionario
L
8 cm 12 cm
Dado que H/A es el mismo, elija sólo concreto:
H
A

k Dt
L
0

0
(0.8 W /m C )(3.1 C )
H
0.12 m
A
 20.7 W /m
2
Ejemplo 2 (Cont.): Flujo estacionario constant
H
 20.7 W /m
-200C
2
ti
250C
A
Corcho: Dt =
21.90C
-
(-200C)
= 41.9
H
A
C0
Concreto: Dt = 250C - 21.90C = 3.1 C0
Note que 20.7 Joules de calor por
segundo pasan a través de la pared
compuesta. Sin embargo, el
intervalo de temperatura entre las
caras del corcho es 13.5 veces más
grande que para las caras del
concreto.
Flujo
estacionario
8 cm 12 cm
Si A = 10 m2, el
flujo de calor en 1
h sería ______
745 kW
Radiación
La tasa de radiación R es la energía emitida por
unidad de área por unidad de tiempo (potencia
por unidad de área).
Tasa de radiación
(W/m2):
R 
Q
A
Emisividad, e :

P
A
R 
0>e >1
Constante de Stefan-Boltzman:
s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
P
A
 es T
4
Ejemplo 3: Una superficie
esférica de 12 cm de radio se
calienta a 627 0C. La emisividad
es 0.12. ¿Qué potencia se radia?
A  4 R  4 (0.12 m )
2
Encuentre
potencia
radiada
2
A
A = 0.181 m2
T = 627 + 273; T = 900 K
P  es A T
6270C
4
P  (0.12)(5.67 x 10 W /mK )(0.181 m )(900 K)
-8
Potencia radiada desde la
superficie:
4
2
P = 808 W
4
Resumen: Transferencia de calor
Conducción: La energía térmica se
transfiere mediante colisiones
moleculares adyacentes dentro de un
material. El medio en sí no se mueve.
Convección es el proceso por el que
la energía térmica se transfiere
mediante el movimiento masivo real
de un fluido calentado.
Radiación es el proceso por el que la
energía térmica se transfiere
mediante ondas electromagnéticas.
Resumen de conductividad térmica
La conductividad térmica k de un
material es una medida de su
habilidad para conducir calor.
t1
t2
H = corriente calorífica (J/s)
A = área superficial (m2)
Dt = t2 - t1
Dt = diferencia de temperatura
L = espesor del material
H 
Q


kA D t
L
k 
QL
A D t
Unidades

J
s  m  C
Resumen de radiación
La tasa de radiación R es la energía emitida por unidad de
área por unidad de tiempo (potencia por unidad de área).
Rate of Radiation R  Q  P
(W/m
R 2):
A A
Emisividad, e :
R 
P
 es T
A
0>e >1
Constante de Stefan-Boltzman:
s = 5.67 x 10-8 W/m·K4
4
Resumen de fórmulas
Q
H 

H 
kA D t

Q

R 
k 
L

kA D t
;
L
Q
A

H
A
P
A
QL
A D t

Unidades
k Dt
s  m  C
P  es A T
L
R 

J
P
A
 es T
4
4
CONCLUSIÓN: Capítulo 18
Transferencia de calor
Descargar

No Slide Title