unidad i.- transferencia de calor

7/24/2019 Unidad I.- Transferencia de Calor

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INSTITUTO TECNOLGICO DE TLALNEPANTLA

DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRNICA

PERIODO ENERO JUNIO 2016 1

CARRERA

Ingeniera Electromecnica

MATERIA

Transferencia de Calor

TRABAJO 1

Unidad I: Conduccin en estado estable.

POR

Mondesir Mackenson

PARA

Patio Vera Rolando Eusebio

GRUPO: L51

FECHA: 17/02/2016


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Mondesir Mackenson Hoja 2 de 15 14250463

00.- ndice

01.- Introduccin.Pg. 3

02.- Transferencia de Calor por Conduccin.Pg. 4

03.- Transferencia de Calor por Conveccin.Pg. 7

04.- Transferencia de Calor por Radiacin...Pg. 10

05.- Bibliografa.....Pg. 15


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01.- Introduccin

El calor se transfiere, o se transmite, de cosas ms calientes a cosas ms fras. Si

estn en contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que estn ms

calientes se enfran y los que estn ms fros se calientan. Tienden a alcanzar una

temperatura comn. Esta igualacin de temperaturas se lleva a cabo de tres

maneras: por conduccin, conveccin y radiacin.

Figura 1.- Esquema de mecanismo de transferencia de calor.


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02.- Transferencia de calor por conduccin

La conduccin es el mecanismo de transferencia de calor en escala atmica a travs

de la materia por actividad molecular, por el choque de unas molculas con otras,

donde las partculas ms energticas le entregan energa a las menos energticas,

producindose un flujo de calor desde las temperaturas ms altas a las ms bajas.

Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del

calor. Los objetos malos conductores como el aire o plsticos se llaman aislantes.

Transferencia de calor por conduccin en sistemas planas. -

La transferencia de calor por conduccin aparece en slidos, lquidos y gases.

Podemos pensar en la conduccin como la transferencia de energa desde las

partculas ms energticas de una sustancia a las partculas adyacentes menosenergticos por interacciones entre las partculas.

Considerando un volumen de espesor , con rea de seccin transversaly cuyascaras opuestas se encuentran a diferentes y con > ,como se muestra enla figura 2.

Figura 2.-

La velocidad a la que el calor entra en el sistema, por conduccin a travs de la

superficie , es, por la ley de Fourier: = 1

Donde: es el factor de seguridad, es una propiedad llamada conductividad

trmica en . . es la variacin de temperatura.

= es la velocidad de transferencia de calor en .


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es la diferencia de espesor en metro ().

Ejemplo 1

Las temperaturas de las dos caras de una ventana son

20 y

12 . Si las

dimensiones de la ventana son: 80 40 1.6 y su conductividad trmica es de0.78 /.. Determina la velocidad de transferencia de calor.

Resolucin

Determina la velocidad de transferencia de calor (): = = 0.78 /. 80 10

40 10 [12 20 1.610 ]

= 2 4 9 6 1 0 . 2010 = 499.2

Sistemas radiales-cilindros

Considrese un cilindro largo con un radio interno , un radio externo y unalongitud , tal como el que se muestra en la Fig. 3. Exponemos este cilindro a unadiferencia de temperaturas y preguntamos cul ser el flujo de calor. Sepuede suponer que el calor fluye en una direccin radial, de manera que es lanica coordenada espacial necesaria para especificar el sistema. Una vez ms se

utiliza la ley de Fourier introduciendo la relacin de rea adecuada. (Holmann, 1999)

Figura 3.-

El rea para el flujo de calor en el sistema cilndrico es:

=2As la ley de Fourier se escribe:

= =2 2


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O tambin la ecuacin 2se puede escribir de esta manera: = 2 ( )

3

Figura 4.-

Al considerar la Fig. 4, tenemos:

= 2 ( ) + ( ) + ( ) 4

Ejemplo 2

Un tubo de acero inoxidable de pared gruesa

18% , 8% , = 19 /. con

2 de dimetro interno y 4 de dimetro externo, est cubierto con una capaaislante de asbesto de 4 = 0.2 /.. Si la temperatura de la pared internadel tubo se mantiene a 600 y el exterior del aislante de 100 . calcule la prdidade calor por metro de longitud.

Figura 5.- Ejemplo 2.


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Resolucin

La prdida de calor por metro de longitud se expresa por:

=

2 (

) + (

)

= 2600100(42

) 1 9 +(104

) 0.2

= 680 /

03.- Transferencia de Calor por Conveccin

La conveccin es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa

o circulacin dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las

diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada

a moverse de un lugar a otro, por ejemplo, el aire con un ventilador o el agua conuna bomba. Slo se produce en lquidos y gases donde los tomos y molculas son

libres de moverse en el medio.

En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmsfera por conduccin

y radiacin cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la

atmsfera por conveccin

Un modelo de transferencia de calor H por conveccin, llamado ley de enfriamiento

de Newton, es el siguiente:

= 5Donde:

es el coeficiente de conveccin, en /. es la superficie que entrega calor con una temperatura al fluido

adyacente, que se encuentra a una temperatura , como se muestra en laFig. 6.

Figura 6.-


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La transferencia de calor por conveccin es positiva > 0 si el calor setransfiere desde la superficie de rea al fluido > y negativo si el calor setransfiere desde el fluido hacia la superficie < .Ejemplo 3

Se desea calentar 3 / de agua desde 10 hasta 66, manteniendo latemperatura de la superficie interna de la tubera a 82. Si el dimetro interior dela tubera es de 5 , determinar:

a) Longitud de tubera necesaria para alcanzar la temperatura requerida

b) Coeficiente de transferencia de calor en la superficie.

Resolucin


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04.- Transferencia de calor por radiacin

La radiacin trmica es energa emitida por la materia que se encuentra a una

temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas

las direcciones. Esta energa es producida por los cambios en las configuraciones

electrnicas de los tomos o molculas constitutivos y transportada por ondas

electromagnticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiacin electromagntica.La masa en reposo de un fotn (que significa luz) es idnticamente nula. Por lo

tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotn viaja a la velocidad de la luz y no

se puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un fotn se llama rayo).

La radiacin electromagntica es una combinacin de campos elctricos y

magnticos oscilantes y perpendiculares entre s, que se propagan a travs del

espacio transportando energa de un lugar a otro.

A diferencia de la conduccin y la conveccin, o de otros tipos de onda, como el

sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiacin

electromagntica es independiente de la materia para su propagacin, de hecho, la

transferencia de energa por radiacin es ms efectiva en el vaco. Sin embargo, la

velocidad, intensidad y direccin de su flujo de energa se ven influidos por la

presencia de materia. As, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario

e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. La longitud de onda ()y la frecuencia () de las ondas electromagnticas, relacionadas mediante laexpresin son importantes para determinar su energa, su visibilidad, su poder de

penetracin y otras caractersticas. Independientemente de su frecuencia y longitud

de onda, todas las ondas electromagnticas se desplazan en el vaco con una

rapidez constante = 299792 /, llamada velocidad de la luz.


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Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la

radiacin est relacionada con la energa de los fotones, por una ecuacin

desarrollada por Planck:

= 6

Donde:

es la constante de Planck y su valor es: = 6 . 6 2 5 1 0.

Tambin, la transferencia de calor desde un sistema con rea superficial A, se

calcula macroscpicamente mediante una forma modificada de la ley de Stefan-

Boltzmann:

=

7Donde: es la energa radiada por tiempo y reas unitarios por el radiador ideal,

en /. es el constante de Stefan-Boltzmann, cuyo valor es:

= 5 . 6 6 9 1 0/. es la emisividad, es una propiedad de la superficie que indica la eficiencia

con que radia la superficie (

0 < < 1 , 0). (Shapiro, 2004)

Ejemplo 4


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Solucin

Esquema


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Bibliografa Holmann, J. (1999). Transferencia de Calor.Mxico: CECSA.

Shapiro, M. J. (2004). Fundamentos de Termodinmica trmica. En M. y. Shapiro, Moran y

Shapiro(pgs. 77-79). Mxico: Revert.

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