Mecanismos De Transferencia De Calor

Mecanismos De Transferencia De Calor

Muy a menudo es necesario saber la rapidez de transferencia de energía y los mecanismos que hacen posible esta transferencia para poder desarrollar una aplicación física en la industria.

Cada mecanismo de transferencia de energía tiene ciertas características que nos ayudan a encontrar la rapidez de transferencia en ese tipo específico de mecanismo, la energía transferida no es clasificada como trabajo en los mecanismos que se mencionara, las formas de transferencia de energía que se explicara son la conducción, convección y radiación.

Se debe contemplara que cada uno de los procesos (mecanismos) mencionados anteriormente producirán un cambio en la energía interna de un sistema, pero sin importar el mecanismos no existirá una transferencia de energía neta cuando el sistema y su entorno estén a la misma temperatura.


Mecanismo de transferencia de energía por conducción.

Este mecanismos es el que se encuentra mas relacionado con la transferencia de energía entre un sistema y su entorno cuando estos tienen diferentes temperaturas, a esteme mecanismos se le llama conducción térmica o de manera breve conducción.

Este mecanismo puede ser descrito a escala atómica, es decir, la transferencia de energía se considera como un intercambio de energía cinética entre las moléculas, átomos, partículas, electrones, etc. donde las partículas con menos energía, ganan energía por medio de colisiones con otras partículas más energéticas.

Se debe considerar que la transferencia de energía a través de una sustancia o un material está hecha parcialmente a través de las vibraciones atómicas y también se debe contemplar que la rapidez de conducción depende de las propiedades físicas de la sustancia o el material.

Lo metales son buenos conductores térmicos ya que contienen una gran cantidad de electrones libres que transportar la energía rápidamente de una región a otra, lo buenos conductores (cobre por ejemplo) trasmiten la energía de un lugar a otro por medio de vibraciones atómicas y movimientos de electrones libres.

Existen también malos conductores como los gases debido a que existe una gran distancia entre sus moléculas (están muy separadas).

Cuando existe una conducción se sabe que hay una diferencia de temperatura entre dos lugares que del conductor (puede ser por el contacto con otro objeto), esta diferencia que se presenta en las temperaturas produce una conducción de energías, digamos que tenemos una placa de metal con un grosor ∆x con una área transversal A, cada cara de la placa está expuesta a diferentes temperaturas Tc y Th donde Th>Tc, se sabe que al existir una diferencia de temperaturas por conducción se transfiere energía de la parte con la temperatura más alta hasta la parte con la temperatura más baja, la rapidez de esta transferencia de energía P = Q/∆t , es proporcional al área de la sección transversal de la placa y la diferencia de temperatura e inversamente proporcional al grosor de la placa, es decir:

Attach:MecadTransformula1.gif Δ

Si en el caso anterior la lámina se cambia por una varilla de longitud L pero las temperaturas de conservan iguales, se sabe que la temperatura en cada punto en la varilla es constante en el tiempo por eso se puede llegar a la siguiente relación:

Attach:MecadTransformula2.gif Δ

En base a la relación anterior se puede deducir la fórmula para obtener la rapidez de transferencia de energía a través de la varilla, la expresión resultante es la siguiente:

Attach:MecadTransformula3.gif Δ

Donde k es una constante que cada material conductor tiene definida, se llama conductividad térmica, cabe resaltar que los buenos conductores tienen un numero alto de conductividad térmica y los malos conductores(aislante) obviamente tiene un numero bajo de conductividad térmica.

Tabla de conductividad térmica.

Sustancia.Conductividad térmica (J / s • m• grado Celsius).
Metales (a 25 grados Celsius). 
Aluminio.238
Cobre.397
Oro.314
Hierro.79.5
Plomo.34.7
Plata.427
Gases (a 20 grados Celsius). 
Aire.0.0234
Helio.0.138
Hidrogeno.0.172
Nitrógeno.0.0234
Oxigeno.0.238
No metales. 
Asbesto.0.25
Concreto.1.3
Caucho.0.2
Agua.0.60
Hielo.1.6
Vidrio.0.84
Madera.0.10

Mecanismo de transferencia de energía por convección.

Cuando una persona pone sus manos sobre una flama abierta para calentarlas, la transferencia de calor se hace por medio del aire, es decir, el aire que esta sobre la flama es calentado, este se dilata, por consiguiente su densidad decrece y el aire sube llegando a la mano de la persona calentándolas.

Se dice que la energía transferida por el movimiento de un fluido se ha transferido por convección.

Cuando se crea un movimiento por diferencia de densidades, como el aire alrededor de un incendio se dice que existe una convección natural, ejemplo la circulación de aire en una playa.

Pero cuando un fluido es forzado a moverse por un factor externo (ventilador, bomba, etc.), a este proceso se le llama convección forzada, ejemplo los sistemas de calefacción de agua y aire caliente.


Mecanismo de transferencia de energía por Radiación.

Cuando una persona se sienta en una chimenea para calentarse experimenta transferencia de calor por radiación, debido a que la persona no está haciendo contacto directamente con la flama, no se puede decir que existe una transferencia por conducción, de la mima manera, al no estar la persona por encima de la flama de la chimenea no se puede decir que existe una transferencia por convección.

Al decir que existe una transferencia de energía por radiación no referimos al hecho que muchos objetos irradian energía continuamente en forma de ondas electromagnéticas producida por la vibración térmica de las moléculas.

Para encontrar la rapidez con el que un objeto irradia energía se debe contemplara que esta rapidez es proporcional al acuarta potencia de su temperatura absoluta, a esto se le conoce como ley de Stefan, y es descrito por la siguiente expresión:

Attach:MecadTransformula4.gif Δ

Donde P es la potencia en Watt (joules por segundo) irradiada por el objeto, sigma es un parámetro dado por:

Attach:MecadTransformula5.gif Δ

A es el área superficial del objeto en metros cuadrados, e es la constante de emisividad el cual puede variar de cero a la unidad dependiendo de las propiedades de la superficie del del objeto y T es la temperatura en kelvin del objeto.

Cuando un objeto irradia energía a una rapidez dada, este objeto también absorbe radiación electromagnética, ya que si este fenómeno no ocurriera el objeto irradiaría toda su energía y su temperatura caería hasta el cero absoluto.

La energía que el cuerpo llega a absorber proviene de su entorno el cual contiene otros objeto que irradian energía, si el objeto esta a una temperatura T y su entorno esta a una temperatura T0, entonces se puede obtener los siguiente:

Attach:MecadTransformula6.gif Δ

Si un objeto eta en equilibrio con su entrono, es decir, irradia y absorbe con la misma rapidez, la temperatura se mantendrá constante, de lo contrario si el objeto está más caliente que su entorno, irradia la energía y se enfría.

Cuando la constante de emisividad e =1 se dice que este objeto es un absorbedor ideal debido a que absorbe toda la energía que incide sobre él, a los objetos de este tipo también se les conoce como cuerpo negro, los absorbedores ideales son también excelentes a la hora de irradiar energía.

Pero cuan la constante de emisividad e=0 a los objetos que presente este número se les llama reflectores ideales, debido que reflejan toda la energía que inciden sobre ellos.


Ejemplo.

Un estudiante trata de decidir que ropa ponerse, su habitación (entorno) está a 293 grados Kelvin, se sabe que la temperatura de la piel sin ropa del estudiante es de 308 grados Kelvin, supongamos que la piel tiene una emisividad de 0.900 y el área superficial del estudiante es de 1.50 m2. Determine la pérdida neta de energía de cuerpo del estudiante en 10 minutos por radiación.

Cambio se minutos a segundos.

1 minuto = 60 segundos.

10 minutos = 600 segundos.

Se saben los siguientes valores:

T0 = 293k

T = 308k

Attach:MecaTransfformula7.gif Δ

A = 1.50m2

∆t = 600s

e = 0.900

Protocolo de solución.

Se desea obtener la rapidez neta con la que la energía es perdida por la piel por medio de radiación, para eso se utiliza la siguiente fórmula:

Attach:MecadTransformula6.gif Δ

Sustituimos las variables y resolvemos:

Attach:MecaTransfformula8.gif Δ

Attach:MecaTransfformula9.gif Δ

En algún momento se mención la fórmula siguiente:

Attach:MecaTransfformula10.gif Δ

Se despeja Q para obtener la cantidad de energía perdida al ritmo que se encontró anteriormente en un intervalo de 600 s (10min), es decir:

Attach:MecaTransfformula11.gif Δ

Sustituimos y resolvemos.

Attach:MecaTransfformula12.gif Δ

En un intervalo de 10 minutos el estudiante pierde una cantidad de energía neta de 75000 J.


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