Ecuación para la conducción del calor
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Conductividades térmicas de algunos materiales
a temperatura ambiente
(Gp:) k
Buenos conductores
Malos conductores
La conductividad
térmica cambia con el estado de agregación
… pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción
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(Gp:) Conductividad térmica
(Gp:) Área
(Gp:) A
(Gp:) Espesor
(Gp:) Calor transferido en el tiempo t
EJEMPLO 1:
CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana)
Integración de la ecuación de Fourier
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Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC respectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0.25 W·m-1·K
Gradiente de temperaturas
Densidad de flujo
(Gp:) Tfuera
(Gp:) xdentro
(Gp:) xfuera
Gradiente de temperaturas constante ?
? la temperatura varía linealmente
Gradiente de temperaturas constante ?
? densidad de flujo constante
(Gp:) 0.34 m
(Gp:) Tdentro
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Resistencias térmicas
Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción
(Gp:) x
(Gp:) T1
(Gp:) T2
(Gp:) Conductividad
(Gp:) Resistencia térmica en W-1·m2·K
Similitud con circuitos eléctricos
(Gp:) I
(Gp:) Vo
(Gp:) R
(Gp:) =
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Ejemplo. Resistencias en serie
(Gp:) R1
(Gp:) R2
Resistencia equivalente = suma de resistencias
Ejemplo
Calcúlese la resistencia térmica de la pared de un refrigerador, formada por tres capas de material, cuyos espesores son, de dentro afuera 2 cm, 10 cm y 3 cm. Las conductividades térmicas de los tres materiales son, respectivamente, 0.25, 0.05 y 0.20 W· m-1 ·K-1.
(Gp:) W-1·m2·K
(Gp:) W-1·m2·K
(Gp:) W-1·m2·K
(Gp:) Resistencias en serie
(Gp:) W-1·m2·K
(Gp:) R1
(Gp:) R2
(Gp:) 2
(Gp:) 10
(Gp:) 3
(Gp:) (cm)
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CONVECCIÓN
La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad.
Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye.
Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie.
El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso.
Transferencia de calor por convección
La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y líquido o gas adyacente que está en movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la transferencia de calor por convección.
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Ley de enfriamiento de Newton
(Gp:) Temperatura superficial
(Gp:) Temperatura del fluido libre
(Gp:) Coeficiente de
convección
(Gp:) Superficie de
intercambio
(Gp:) T superficial
(Gp:) T fluido libre
Capa límite
(Gp:) ?T
Transferencia de calor por convección
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(Gp:) Valores típicos del coeficiente de convección
Transferencia de calor por radiación
Las energías radiantes podemos mencionar:
Los rayos cósmicos
Rayos x
Rayos gama
Rayos ultravioleta
La luz visible
Rayos infrarrojos
Ondas de radio
TERMODINÁMICA
Es la ciencia que analiza las leyes de la transferencia de energía y el estudio de las propiedades de las sustancias involucradas.
CONCEPTOS PREVIOS
SISTEMA TERMODINÁMICO
Es aquella región del espacio que se va a seleccionar para analizar los fenómenos que ocurren en él.
Un sistema termodinámico es:
Sistema Cerrado
Sistema Abierto
Sistema Cerrado
Cuando no existe transferencia de masa entre el sistema y sus alrededores o ambiente.
El Sistema Cerrado a su vez puede ser:
Sistema Aislado
Sistema Adiabático
(Gp:) Sistema Cerrado
m=cte
(Gp:) límite o frontera del sistema
Sistema Aislado
Es un sistema cerrado incapaz de interactuar energéticamente con el medio que lo rodea, es decir, no intercambia calor, masa, trabajo con el medio circundante
Sistema Adiabático
Es un sistema cerrado que se caracteriza por ser impermeable al calor fundamentalmente, es decir, no admite ni emite calor a través de su límite o frontera.
(Gp:) Sistema Adiabático
(Gp:) Q=0
Sistema Abierto
Es aquel que intercambia masa con el medio que lo rodea a través de su límite o frontera.
Ejemplo:
El motor de un automóvil, una bomba de agua, una turbina, etc.
EQUILIBRIO TERMODINAMICO
Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico con su medio interior cuando no hay transferencia energética que altere sus propiedades termodinámicas, o sea, no hay cambio de estado
EQUILIBRIO TERMICO
Sucede cuando entre sistemas y su medio exterior no hay transferencia de calor. Esto se observa cuando las temperaturas son iguales
LEYES DE LA TERMODINAMICA
Permítase que un sistema cambie de un estado inicial i aun estado final de equilibrio f, en un camino determinado, siendo Q el calor absorbido por el sistema y W el trabajo hecho por el sistema.
Después calculamos el valor de Q-W. A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado i hasta el estado final f, pero en esta ocasión por un camino diferente, lo, hacemos una y otra ves, usando diferentes caminos en cada caso encontramos que en todos los intentos Q-W es la misma.
Esto es, que aunque Q y W separadamente dependen del camino, Q-W no depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del estado i hasta el estado f, sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).
Primera ley de la Termodinámica
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