transferencia de calor y masa clase 1.ppt

TRANSFERENCIA DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASACALOR Y MASA

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICADEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICA

Mgt. Santiago Soncco Tumpi Mgt. Santiago Soncco Tumpi

CAPITULO I: INTRODUCCION Y

CONCEPTOS BASICOS

1.1. Introducción1.2.Termodinámica y transferencia de calor1.3. Calor y otras formas de energía 1.4. Primera ley de la termodinámica 1.5. Mecanismos de transferencia de calor1.6.Mecanismos simultáneos de transferencia de calor

1.2 TERMODINAMICA Y 1.2 TERMODINAMICA Y TRANSFERENCIA DE CALORTRANSFERENCIA DE CALOR


1.1. INTRODUCCION1.1. INTRODUCCION


Lic. Santiago Soncco Tumpi Lic. Santiago Soncco Tumpi

La termodinámica trata de los estados de equilibrio y de los cambios desde un estado de equilibrio hacia otro. Por otra parte, la transferencia de calor se ocupa de los sistemas en los que falta el equilibrio térmico y, por tanto existe un fenómeno de NO EQUILIBRIO. Por lo tanto, el estudio de la transferencia de calor no puede basarse sólo en los principios de la termodinámica. Sin embargo las leyes de la termodinámica ponen la estructura para la ciencia de la transferencia de calor. El requisito fundamental para la transferencia de calor es la presencia de la DIFERENCIA DE TEMPERATURAS

1.2 TERMODINAMICA Y TRANSFERENCIA DE 1.2 TERMODINAMICA Y TRANSFERENCIA DE CALORCALOR

Mgt Santiago Soncco Tumpi Mgt Santiago Soncco Tumpi


No puede haber transferencia neta de calor entre dos medios que están a la misma temperatura. La diferencia de temperaturas es la FUERZA IMPULSORA para la transferencia de calor.Así como la diferencia de presión es la fuerza impulsora para el flujo de fluidos.

CALIENTE

Frio

Transferencia


1.2.1. AREAS DE APLICACIÓN DE 1.2.1. AREAS DE APLICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALORLA TRANSFERENCIA DE CALOR


La transferencia de calor desempeñan un papel importante en las ciencias aplicadas, así como en el diseño de aparatos, como los radiadores de automóviles, colectores solares, sistemas de calefacción y acondicionamiento de aire, componentes de las plantas generadoras de energía eléctrica y incluso de naves espaciales. El espesor óptimo del aislamiento de las paredes y techos de las casas, de los tubos de agua caliente o de vapor de agua de los calentadores de agua, se determinan a partir de un análisis de la transferencia de calor

1.2.1. AREAS DE APLICACIÓN DE LA 1.2.1. AREAS DE APLICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALORTRANSFERENCIA DE CALOR


CUERPO CUERPO HUMANOHUMANO

AVIONESAVIONES

ALGUNAS AREAS DE APLICACIÓN ALGUNAS AREAS DE APLICACIÓN


RADIADORES RADIADORES DE AUTOSDE AUTOS

SISTEMAS DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓNREFRIGERACIÓN


PLANTA DE PLANTA DE ENERGIA ENERGIA

ELECTRICAELECTRICA

SISTEMAS DE SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTOS ACONDICIONAMIENTOS

DE AIREDE AIRE


1.2.2. FUNDAMENTOS 1.2.2. FUNDAMENTOS HISTORICOSHISTORICOS


El calor siempre se ha percibido como algo que produce una sensación fisiológica y se podría pensar que su naturaleza es una de las primeras cosas comprendidas por la humanidad.Hasta mediados del siglo XIX estaba basado en la teoría del CALORICO propuesta por el Químico Francés Antoine Lavoisier. En 1789, La teoría del calórico afirma que calor es una sustancia semejante a un fluido, llamado CALORICO, que fluía de los cuerpos más calientes hacia los más fríos.

1.2.2. FUNDAMENTOS HISTORICOS1.2.2. FUNDAMENTOS HISTORICOS


En 1798 estadounidense Benjamín Thompson demostró en sus estudios que el calor se puede generar en forma continua a través de la fricción.En 1843 el inglés James P. Joule con sus investigaciones convencieron a lo escépticos que calor no era una sustancia, con lo cual pusieron fin a la teoría del calórico.Hacia mediados del siglo XIX, se tuvo una verdadera comprensión física de la naturaleza del calor. Gracias al desarrollo de la teoría cinética, en la cual se considera a las moléculas como bolas diminutas que están en movimiento y por tanto poseen energía cinética. El calor entonces de define como la energía asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y moléculas.


1.3. TRANSFERENCIA DE 1.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA INGIENERIACALOR EN LA INGIENERIA


En los estudios de ingeniería, es frecuente que se logre un buen término medio al reducir los problemas que se presentan en los diseños, por medio del análisis y verificando después en forma experimental.Como se sabe los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores, los colectores solares, etc. están diseñados tomando en cuenta el análisis de transferencia de calor.Los problemas de esta ciencia se pueden clasificar en dos grupos

1.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA 1.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA INGIENERIAINGIENERIA

Lic. Santiago Soncco Lic. Santiago Soncco Tumpi Tumpi

a)CAPACIDAD NOMINAL: Los problemas de capacidad nominal tratan de la determinación de la razón de la transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia especifica de temperatura.

b)DIMENSIONAMIENTO: Como su propio nombre indica trata de la dimensión del tamaño de un sistema con el fin de transferir calor a una razón determinada.

Un aparato o proceso de ingeniería puede estudiarse en forma experimental y analítica

i) Procedimiento experimental: ( realización de pruebas y toma de mediciones). Tiene la ventaja de que se trabaja con el sistema físico real.


La cantidad deseada se determinan por medición, dentro de los límites del error experimental. Sin embargo este procedimiento es caro, y con frecuencia impractico. Además, el sistema que se esta analizando puede incluso no existir.

ii) Procedimiento analítico: (mediante el análisis o elaboración de cálculos). Tiene la ventaja de que es rápido y barato, pero los resultados obtenidos están sujetos a la exactitud de las suposiciones, de las aproximaciones y de las idealizaciones establecidas en el análisis.


1.4. CALOR Y OTRAS 1.4. CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGIA FORMAS DE ENERGIA


La energía puede existir en numerosas formas, como térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, y su suma constituye la energía total de un sistema

Las formas de energía relacionadas con la estructura molecular de un sistema y con el grado de actividad molecular se conocen como energía microscópica. La suma de todas las formas microscópicas de energía se llama ENERGIA INTERNA. también la energía interna es la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas.

1.4. CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGIA 1.4. CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGIA


1.4.1. TRANSFERENCIA DE 1.4.1. TRANSFERENCIA DE ENERGIA ENERGIA


La energía se puede transferir hacia una masa dada o desde ésta, por dos mecanismos: CALOR (Q) Y TRABAJO (W). Una interacción energética es una transferencia de calor si su fuerza impulsora es una diferencia de temperatura. De lo contrario, es trabajo. A la energía térmica llamamos calor y a la transferencia de energía térmica llamamos transferencia de calor. La cantidad de calor transferido durante el proceso se denota por (Q). La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo se llama razón de transferencia de calor y se denota por ( ), llamado también velocidad de transferencia de calor (J/s =W)

Q

1.4.1. TRANSFERENCIA DE ENERGIA 1.4.1. TRANSFERENCIA DE ENERGIA


Cuando se cuenta con la razón de transferencia de calor, puede determinarse la cantidad total de transferencia de calor ( Q ) durante un intervalo de tiempo a partir de: dtQQ

t

0

Entonces:

tQQ


La razón de transferencia de calor por unidad de area perpendicular a la dirección de esa transferencia se llama flujo de calor y el flujo promedio de calor se expresa como.

Donde: A : es el área de

transferencia de calor

)/( 2mWA

Qq


PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINAMICA

“Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces ellos deben estar en equilibrio térmico entre sí”

A B

C

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

“Siempre que un sistema incremente su energía, aparece en otro sistema la correspondiente disminución de la misma, lo cual establece una conservación de la energía”

WdUQ

Calor cedido al sistema

Q positivo

Energía Interna

Trabajo realizado por el sistema

W positivo

1.5. PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA1.5. PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA


SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

“No es posible ningún proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor (energía térmica) de un objeto a otro de mayor temperatura”. Enunciado por ClausiusClausius.

TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

“Conforme la temperatura de una sustancia pura se aproxima al cero absoluto, la entropía de la sustancia se aproxima a cero”.

“Es imposible extraer calor de un sistema a una sola temperatura y convertirla en trabajo mecánico sin que el sistema o los alrededores cambien de algún modo”. Enunciado por Planck – KelvinPlanck – Kelvin.

0

0

KT

S


RENDIMIENTO O EFICIENCIA TERMICA ( ηη )


RENDIMIENTO O EFICIENCIA TERMICA ( ηη )

Se define como la relación del trabajo neto realizado por la maquina térmica durante un ciclo entre la energía absorbida a la temperatura mas alta durante un ciclo. El rendimiento térmico es entonces:

%100h

neto

TérmicoQ

W

FOCO CALIENTEFOCO CALIENTE

M.T.M.T.

FOCO FRIOFOCO FRIO

QQhh

QQcc

WWnn


1.6.1 BALANCE ENERGETICO1.6.1 BALANCE ENERGETICO


1.6.1 BALANCE ENERGETICO1.6.1 BALANCE ENERGETICO

Del Primer Principio de la Termodinámica, cuando se aplica a un sistema de masas fijas.

En estado estacionario:

sistemael en

acumula seque Energía

sistemadel

ganada Energía

sistemaal

entregada Energía

UQQj

ganadoi

entregado

dtdU

QQj

ganai

entra

j

ganadai

entregada QQ


1.6. MECANISMOS DE 1.6. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE TRANSFERENCIA DE

CALORCALOR


La transferencia de energía como calor siempre se produce del medio que tiene la temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja, y la transferencia de calor se detiene cunado los dos medios alcanzan la misma temperatura.El calor se puede transferir de tres modos diferentes: conducción, convección y radiación. Todos los mecanismos de transferencia de calor requieren de la existencia de una diferencia de temperatura y todos ellos ocurren del medio que posee la temperatura más elevada hacia uno de temperatura más baja.

1.6. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE 1.6. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALORCALOR


1.6.1. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN


La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de la interacciones entre las partículas. La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases. En los gases y líquidos la conducción se debe a las colisiones y la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de los electrones libres.

1.6.1. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN


La rapidez o razón de la conducción de calor a través de un medio depende de la configuración geométrica y del espesor del material, así como de la diferencia de temperatura.

Q

∂ x


La razón de la conducción de calor a través de una capa plana es proporcional a la diferencia de temperatura a través de ésta y al área de transferencia de calor, pero es inversamente proporcional al espesor de la capa.La relación de transferencia de calor por conducción está dada por la ley de Fourier.

x

TkA

t

Q

(J/s) = W

Donde: K= Conductividad térmica

del material (w/m °c)A= Área de la placa (m )

Gradiente de temperatura


1.7.TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION


Es el mecanismo mediante el cual se transfiere calor entre una superficie sólida y un fluido en movimiento adyacente a ella. Las corrientes producidas en el seno del fluido reconoce dos origines• Convención natural o libre.• Convección forzadaIndependientemente de que la convección sea natural o forzada la cantidad de calor transferida por convección esta definido por:

1.7.TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCION

hA

Qc (Tpf – Tf )


TTpfpf

Corriente Corriente convectivaconvectiva

TTff


TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

σT 4 Q

Eλb(T) = =

A

La ecuación que permite describir exactamente el comportamiento ideal de los emisores para un radiador perfecto o cuerpo negro será:

Ley de Stefan Boltzmann

σ = 5,7x10-8 Wm2K4

m2W

La energía radiante neta transferida a la temperatura Ts de un cuerpo real (cuerpo gris) al medio exterior a la temperatura Tamb será:

44ambs TT Q

Ts

Tamb

Q

es la emisividad, que es una propiedad del material de la superficie, esta propiedad proporciona una medida de la eficiencia con que una superficie emite energía en relación con un cuerpo negro.

Para calcular el intercambio de radiación entre dos superficies cualesquiera, primero debemos introducir el concepto de un factor de forma llamado también factor de configuración o de apariencia, o factor de emisividad que corrige el comportamiento de una superficie supuesta negra y la lleva a una situación real. Entonces la cantidad neta de calor intercambiada por radiación entre dos superficies esta dado por:

4421 TT QR

Fe


LA/S ENERGIAS RENOVABLES

A medida que una sociedad es más desarrollada consume más energía. Pero la energía que se obtiene del carbón, del petróleo y del gas no se renueva y se va agotando año tras año.

Lo inteligente es ir aprovechando otras fuentes de energía que están a nuestro lado: viento, sol, residuos, etc las cuales son renovables año tras año, no se agotan y además no contaminan el ambiente, lo que significa una doble ventaja para los habitantes en la tierra.


LAS ENERGIAS RENOVABLES

A medida que una sociedad es más desarrollada consume más energía. Pero la energía que se obtiene del carbón, del petróleo y del gas no se renueva y se va agotando año tras año.

Lo inteligente es ir aprovechando otras fuentes de energía que están a nuestro lado: viento, sol, residuos, etc las cuales son renovables año tras año, no se agotan y además no contaminan el ambiente, lo que significa una doble ventaja para los habitantes en la tierra.

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