Tema 3: transferencia de calor

Física: Fluidos y termodinámica

Tema 3: Transferencia de calor

Unidad 2

Transferencia de calor

Se ha hablado de conductores y aislantes que son respectivamente, los materiales que permiten o impiden la transferencia de calor entre cuerpos.

Los tres mecanismos de trasferencia de calor son conducción, convección y radiación.

Unidad 2

Transferencia de calor
Conducción

Multiple Choice

¿Qué es transferencia de calor?

• Es equilibrio térmico.

• Es energía intercambiada entre los materiales.

• Es calor.

• Es energía interna.

Unidad 2

Transferencia de calor
Conducción

​Definimos resistencia térmica por unidad de área como R=L/k, entonces

​Definimos resistencia térmica como R=L/(kA), entonces

Unidad 2

Transferencia de calor
Conducción

Unidad 2

Transferencia de calor
Conducción

Multiple Choice

¿Cuánto es la corriente de calor en una pared de madera de 4 cm de espesor, si la temperatura interna es 30°C, externa es 5°C, el área es 12m² y k=0,193 W/mK?

• $$2,32\times10^3\ W$$

• $$1,74\times10^3\ W$$

• $$290\ W$$

• $$1,45\times10^3\ W$$

Multiple Choice

¿Cuánto es H/A para una tetera de 8 mm de espesor, si la temperatura interna es 10°C, externa es 99°C y k=80 W/mK?

• $$6,43\times10^4\ W$$

• $$8,90\times10^5\ \frac{W}{m^2}$$

• $$1,74\times10^4\ \frac{W}{m^2}$$

• $$2,52\times10^5\ \frac{W}{m^2}$$

Unidad 2

Transferencia de calor
Convección

​Transferencia de calor por movimiento de una masa de fluido de una región del espacio a otra.

Tipos de convección:

• Convección forzada

• Convección natural o convección libre

La transferencia de calor por convección es un proceso muy complejo y no puede describirse en una ecuación simple.

Unidad 2

Transferencia de calor
Convección

Algunos hechos experimentales:

1. La corriente de calor causada por convección es directamente proporcional al área superficial. Esto explica las áreas superficiales grandes de los radiadores.

2. La viscosidad de los fluidos frena la convección natural cerca de una superficie estacionaria, formando una película superficial. La convección forzada reduce el espesor de esta película aumentando la tasa de transferencia de calor.

3. La corriente de calor causada por convección es aproximadamente proporcional a la potencia 5/4 de la diferencia de temperatura entre la superficie y el cuerpo principal del fluido.

4. Existe una aproximación para determinar la corriente de calor por convección denominada Ley de enfriamiento de Newton.

Multiple Choice

Indicar si la aseveración es verdadera o falsa:

"El aire acondicionado es un tipo de convección forzada"

• Verdadera.

• Falsa.

Multiple Choice

¿Cuál de los ejemplos corresponde a convección natural?

• El agua de una tetera al hervir.

• La estufa eléctrica.

• El aire en la atmósfera.

• El calefactor de agua.

Unidad 2

Transferencia de calor
Radiación

Es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas como la luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta.

Unidad 2

Transferencia de calor
Radiación

​La tasa de radiación o corriente de calor por radiación depende de la naturaleza de la superficie, descrita por la emisividad (e) un número adimensional entre 0 y 1 que representa la relación entre la tasa de radiación de una superficie dada y la de un área igual de una superficie radiante ideal a la misma temperatura.

Unidad 2

Transferencia de calor
Radiación

Ley de Stefan-Boltzmann

​σ=5,6704×10^-8 [W⁄(m² K⁴ )] constante física fundamental o constante de Stefan-Boltzmann

Multiple Choice

¿Qué es un cuerpo negro?

• Objeto ideal que absorbe la energía.

• Cuerpo que emite toda la energía.

• Cuerpo ideal que refleja la energía.

• Cuerpo que transmite energía.

Unidad 2

Transferencia de calor
Radiación

Potencia emisiva superficial

Unidad 2

Transferencia de calor
Radiación

Radiación neta

H_neta=H_cuerpo-H_ambiente

H_neta<0 absorbe radiación

H_neta>0 emite radiación

Multiple Choice

Un hervidor tiene una temperatura externa de 90°C y una emisividad de 0,95, ¿Cuánto es la potencia emisiva emitida por la superficie del hervidor?

• 575 W/m²

• 642 W/m²

• 937 W/m²

• 383 W/m²

Unidad 2

Transferencia de calor
Radiación

Unidad 2

Ejemplo

Una olla de aluminio (k=238 W/mK) tiene una sección transversal circular de 8 cm de radio y 3 mm de espesor. Se coloca sobre una placa caliente y se llena con 1 kg de agua. Si el fondo de la olla se mantiene a 101°C y la parte interna a 100°C, calcular

a) la rapidez de transferencia de calor hacia el agua,

b) el tiempo que demora el agua en hervir. Despreciar el calor perdido por los lados de la olla. La temperatura ambiente es de 20°C y la presión de 1 atm.

Unidad 2

Ejemplo

Una carretera de superficie ennegrecida a una temperatura de 320 K recibe energía radiante del Sol por un valor de 700 W/m². Calcular la radiación neta por cada m² de la superficie de la carretera.