INSTITUTO TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

CAMPUS ZACATEPEC

DEPARTAMENTO METAL-MECÁNICO

INGENIERIA ELECTROMECANICA

TRANSFERENCIA DE CALOR | KB

PRACTICA 1.

COEFICIENTE DE TEMPERATURA DE DIVERSOS MATERIALES.

PROF: ING. JESÚS RODOLFO SALAS

Zacatepec, Morelos | 11 de marzo del 2015

OBJETIVOS.

Comprobar cómo se disipa el calor sometido a diferentes materiales en un determinado tiempo.

Comparar la teoría vista en clases anteriores, aplicándola a casos reales.

RELACIÓN TEORIA/PRACTICA.

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.

MARCO TEORICO.

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 es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el 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 (dominante en los materiales no metálicos).1

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:

Donde:

= es la calor transmitido por unidad de tiempo.

(ó ) = es la conductividad térmica.

= es el área de la superficie de contacto.

= es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y

el frío.

= el espesor del material.

La transferencia de energía térmica o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la "materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (T4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios miles de kelvin.

Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso de calor.

MATERIAL Y EQUIPO.

Bloques de arcilla, madera, vidrio, aluminio y yeso.

Termómetros de más de 100°

Termoagitador

Vernier Plancha de uso doméstico. Cronómetro Flexómetro

PROCEDIMIENTO O METODOLOGÍA.

Para ésta práctica ocupamos un termoagitador que, previamente conectaremos a la corriente. 10 minutos después revisamos la temperatura del termoagitador, al ver que no llegaba a la temperatura que inicialmente queríamos (200°), decidimos dejarlo en 90°. Se comprobó la temperatura con el termómetro dando lapsos de tiempo de 6 a 10 minutos. Una vez obtenida y comprobada la temperatura dejamos sobre el termoagitador el material.

Ilustración 1. Bloque de madera sometido a 78° inducidos por el termoagitador.

Ilustración 3. Bloque de vidrio sometido a 100° inducidos por el termoagitador.

Ilustración 2. Bloque de arcilla sometido a 90° inducidos por el termoagitador.

Ilustración 1. Bloque de aluminio sometido a 98° inducidos por el termoagitador.

Para determinar el coeficiente de transferencia de calor, conocemos que:𝑄 = 𝐾𝐴 𝑇1−𝑇2 𝐷𝑥 (Formula 1)

Dx= Espesor. A = Área de los diferentes materialesQ = La potencia

T1 = La temperatura inicialT2 = La temperatura final

K = El coeficiente que se necesita.

Sabiendo que contamos con todos los datos, y nuestro objetivo es encontrar 𝐾, podemos deducir que:𝐾 = ( ) (𝑄) / (𝐴) (𝑇1−𝑇2) (Formula 2)

DATOS DE LOS MATERIALES.

Potencia:

Q=1200 W

Bloque de arcilla:T = (90° - 53°) CA = 0.2645 m2

T1 = 90° CT2 = 53° CDx = 18 mm

Bloque de yeso:T = (95° - 44°) CA = 3.92 m2

T1 = 95° CT2 = 44° CDx = 20 mm

Bloque de vidrio:T = (100° - 86°) CA = 0.1 m2

T1 = 100° CT2 = 86° CDx = 6 mm

Bloque de aluminio:T = (98° - 88°) CA = 1.03 m2

T1 = 98° CT2 = 88° CDx = 0.02 mm

Bloque de madera:T = (78° - 44°) CA = 2.645 m2

T1 = 78° CT2 = 44° CDx = 15 mm

CÁLCULOS Y RESULTADOS.

Tomando en cuenta nuestra fórmula 2, tenemos que:

Bloque de arcilla

k=(0.018m ) (1200w )(2.645m2)(37 ° C)

k= 0.220Wm°C

Bloque de yeso

k=(0.020m ) (1200w )(3.92m2)(51° C)

k= 0.120Wm°C

Bloque de vidrio

k=(0.006m ) (1200w )(0.1m2)(14 °C )

k= 0.514Wm°C

Bloque de aluminio

k=(0.002m ) (1200w )(1.03m2)(10° C)

k= 0.233Wm°C

Bloque de madera

k=(0.015m ) (1200w )(3.92m2)(34 °C)

k= 0.135Wm°C

CONCLUSIONES.

En ésta práctica, podemos darnos cuenta que las temperaturas de los materiales varían dependiendo de muchos factores, como lo son su resistencia térmica, su conductividad, el tipo de material del que están hechos, etc. Al hablar del coeficiente de transferencia de calor de cada material, debemos analizar también que es muy distinto en cada uno de los bloques trabajados. Así pues, verificamos cada una de las formulas y observaciones vistas en clase, que fueron mucho más notorias a la hora de resolver los problemas.

BIBLIOGRAFÍA.

Transferencia de calor y masa. (4ta edición) | Yunus A. Cengel