calor - modelos matemáticos simplificados

21
Modelos matemáticos Modelos matemáticos simplificados de sistemas simplificados de sistemas físicos físicos Objetivo Objetivo Obtener un modelo matemático que describa un determinado proceso físico. Ecuación diferencial + Condiciones iniciales y/o de borde

Upload: zurdo-zarate

Post on 24-Jun-2015

302 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: calor - modelos matemáticos simplificados

Modelos matemáticos Modelos matemáticos simplificados de sistemas físicossimplificados de sistemas físicos

ObjetivoObjetivo

Obtener un modelo matemático que describa un determinado proceso físico.

Ecuación diferencial +Condiciones iniciales y/o de borde

Page 2: calor - modelos matemáticos simplificados

Ecuación de Ecuación de LaplaceLaplace

Modelos matemáticos simplificados de Modelos matemáticos simplificados de sistemas físicossistemas físicos

Ecuación de la Ecuación de la ondaonda

Ecuación del Ecuación del calorcalor Procesos Procesos

difusivosdifusivos

Procesos Procesos oscilatorioscilatori

osos

Procesos de Procesos de estado estado

estacionarioestacionario

Page 3: calor - modelos matemáticos simplificados

Ecuación de Ecuación de LaplaceLaplace

Modelos matemáticos simplificados de Modelos matemáticos simplificados de sistemas físicossistemas físicos

Ecuación de la Ecuación de la ondaonda

Ecuación del Ecuación del calorcalor Procesos

difusivos

Procesos Procesos oscilatorioscilatori

osos

Procesos de Procesos de estado estado

estacionarioestacionario

Page 4: calor - modelos matemáticos simplificados

LEY DE FOURIER LEY DE FOURIER

dTq k A

dx

En condiciones de estado estacionario, el calor q (W) transferido por conducción en la dirección x y por unidad de tiempo está dado por:

T2T1

x

x

T1

T2

q

Page 5: calor - modelos matemáticos simplificados

LEY DE FOURIERLEY DE FOURIER

dTq k A

dx

x

x

T1

T2

Área de la sección transversalConductividad térmica

del material (W/m K)

Page 6: calor - modelos matemáticos simplificados

LA ECUACIÓN DEL CALORLA ECUACIÓN DEL CALORMODELO MATEMÁTICOMODELO MATEMÁTICO

Balance de energía en una barra circular de sección transversal uniforme y material homogéneo

x

x=0 x=L

q

Page 7: calor - modelos matemáticos simplificados

Calor neto de entrada =

= Calor acumulado

Término de flujo

Término de absorción

BALANCE DE ENERGÍA EN UNA BALANCE DE ENERGÍA EN UNA

PORCIÓN DE LA BARRAPORCIÓN DE LA BARRA

x

x=0 x x+x x=Lq

Page 8: calor - modelos matemáticos simplificados

BALANCE DE ENERGÍA EN UNA BALANCE DE ENERGÍA EN UNA

PORCIÓN DE LA BARRAPORCIÓN DE LA BARRA

Calor neto de entrada =

= Calor acumulado

Término de flujo

Término de absorción

Page 9: calor - modelos matemáticos simplificados

TÉRMINO DE FLUJOTÉRMINO DE FLUJO

Calor neto de entrada

x

x=0 x x+x x=Lq

x ,t

Tq x,t k A

x

x x ,t

Tq x x,t k A

x

entrada

salida

Page 10: calor - modelos matemáticos simplificados

tY la cantidad de calor neto de entrada en el tiempo , estará dada por:

x x ,t x ,t

T Tq t kA t

x x

TÉRMINO DE FLUJOTÉRMINO DE FLUJOCalor neto de entrada

x x ,t x ,t

T Tq q x,t q x x,t kA

x x

Page 11: calor - modelos matemáticos simplificados

t

1 q t q tT

Cp m Cp A x

El cambio promedio en temperatura , que se produce en el trozo de la barra, en el intervalo de tiempo t, vendrá dado por:

x

x=0 x x+x x=Lq

TÉRMINO DE ABSORCIÓNTÉRMINO DE ABSORCIÓN

Calor acumulado en el elemento de la barra en el tiempo

Page 12: calor - modelos matemáticos simplificados

1 q t q tT

Cp m Cp A x

q tT x x,t t T x x,t

Cp A x

0 1 con:

q t T x x,t t T x x,t Cp A x

Page 13: calor - modelos matemáticos simplificados

Igualando las dos expresiones :Igualando las dos expresiones :

q t T x x,t t T x x,t Cp A x

q t

x x ,t x ,t

T Tq t kA t

x x

x x ,t x ,t

T TkA t

x x

T x x,t t T x x,t Cp A x

Page 14: calor - modelos matemáticos simplificados

Dividiendo la ecuación anterior por

x t y luego haciendo

0x 0t

,

x x ,t x ,t

x

t

T T

x x tlím kA

x

0

0t

x

t

T x x,t t T x x,t xlím Cp A

t

0

0x

Page 15: calor - modelos matemáticos simplificados

ECUACIÓN DEL CALOR ECUACIÓN DEL CALOR UNIDIMENSIONALUNIDIMENSIONAL

Obtenemos la ecuación del calor o de difusión unidimensional:

,

T Tk Cp

x x t

Para un material homogéneo:2

2

k T T;

Cp tx

2

2

T T

tx

Difusividad térmica

Page 16: calor - modelos matemáticos simplificados

GENERALIZACIONESGENERALIZACIONES

,

Con fuentes o sumideros de calor:

2 2

2 2

T T T

tx y

T TCp x x A x k x A x G x,t ,T

t x x

Ec. del calor bidimensional

2 TT

t

Page 17: calor - modelos matemáticos simplificados

GENERALIZACIONESGENERALIZACIONES

,2 2 2

2 2 2

T T T T

tx y z

Ec. del calor tridimensional

2 TT

t

Page 18: calor - modelos matemáticos simplificados

CONDICIONES DE BORDECONDICIONES DE BORDE

Condiciones de borde:

Temperatura constante

,

100

xT T ,t T

2x LT T L,t T

00

xT T ,t f t

x LT T L,t g t

Temperatura variable

Page 19: calor - modelos matemáticos simplificados

CONDICIONES INICIALESCONDICIONES INICIALES

Condiciones iniciales:

000

tT T x, T

Distribución inicial de

temperatura constante

Page 20: calor - modelos matemáticos simplificados

CONDICIONES DE BORDECONDICIONES DE BORDE

Condiciones de borde:

,

Extremo aislado

0

0 0x

T T,t

x x

0x L

T TL,t

x x

Page 21: calor - modelos matemáticos simplificados

La ecuación del calorLa ecuación del calorPROBLEMASPROBLEMAS

,

Suponer que tenemos una barra de sección transversal constante, que los extremos de la barra están aislados y que la temperatura inicial es 100°C. Expresar matemáticamente las condiciones de frontera y analizar el problema por medio de un razonamiento físico. Interprete físicamente la siguiente EDDP:

2

2

U Uk F x,t

t x