Concepto de flujo
Una magnitud física…
A
Carácter vectorial…
Una superficie…
(Gp:) S
(Gp:) Flujo de A a través de la superficie
(Gp:) S
(Gp:) A
(Gp:) ?
CANTIDAD
ESCALAR
Sentido físico de distintos tipos de flujo
Transporte de partículas:
El flujo es el número de partículas transportadas por unidad de tiempo
(Gp:) n
(Gp:) v
(Gp:) x
t
(Gp:) N
(Gp:) Número de partículas que
atraviesan la superficie en
el intervalo t
S
N = n?S?x
x = v?t
(Gp:) N = n?S?v?t
Flujo de calor
Energía que atraviesa una superficie por unidad de tiempo ? Potencia
(Gp:) Energía
(Gp:) Tiempo
(Gp:) Potencia =
(Gp:) watios
Densidad de flujo
Potencia que atraviesa una superficie por unidad de tiempo y unidad de área
(Gp:) A
(Gp:) Potencia
(Gp:) Área
(Gp:) Watios/m2
(Gp:) Mecanismos de transmisón de calor
(Gp:) Conducción: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material.
(Gp:) Convección: transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia.
(Gp:) Convección natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura.
(Gp:) Convección forzada: la causa del mezclado es un agitador mecánico o una diferencia de presión (ventiladores, compresores…) impuesta externamente.
(Gp:) Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.
La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos.
Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre moléculas.
CONDUCCIÓN
http://www.jhu.edu/~virtlab/conduct/conduct.htm
Experimento virtual de conducción del calor
Conducción
Ley de Fourier: determinación del flujo de calor
(Estado estacionario)
(Gp:) Calor difundido por unidad de tiempo
(Gp:) Conductividad térmica (W·m-1·grado -1): calor que atraviesa en la dirección x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestos
(Gp:) Superficie (m2): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor
(Gp:) Gradiente de temperatura (grados/m): variación de la temperatura en la dirección indicada por x.
(Gp:) X
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
(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
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 -1.
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
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
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)
EJEMPLO 2:
CONDUCCIÓN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA
(Gp:) T1
(Gp:) T2
(Gp:) a
(Gp:) b
(Gp:) r
(Gp:) r
400 ºK
300 ºK
(Gp:) 10 cm
(Gp:) 0.5
(Gp:) 30
(Gp:) 35
(Gp:) 40
(Gp:) 45
(Gp:) 50
(Gp:) T (ºC)
(Gp:) 08:00
(Gp:) 10:00
(Gp:) 05:00
(Gp:) 12:00
(Gp:) 15:00
(Gp:) 18:00
(Gp:) Altura
(Gp:) 15 cm
(Gp:) 30 cm
(Gp:) 60 cm
(Gp:) 1.20 m
(Gp:) 10.0 m
(Gp:) 2.40 m
(Gp:) -2 cm
(Gp:) -5 cm
(Gp:) -15 cm
Perfiles en verano
(datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)
CONDUCCIÓN EN SUELO
El suelo tiene una capacidad calorífica alta, entre 0.27 y 0.80 cal/g/ºC, lo que significa que es un buen acumulador de calor, y una baja conductividad térmica, que hace que la penetración del calor en el suelo sea lenta, al igual que su enfriamiento.
Difusividad térmica
m2s-1
(Gp:) Calor específico
Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.
Convección
Convección natural
Flujo laminar
Flujo turbulento
(Gp:) Convección forzada
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