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Bloque II. TRANSMISIÓN DEL CALORTEMA 4. MECANISMOS BÁSICOS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR4.1 Transmisión del calor: concepto. Modos de transmisión del calor.4.2 Conducción. Ley de Fourier.4.3 Convección. Ley de Newton del enfriamiento.4.4 Radiación. Ley de Stefan-Boltzmann. Emisividad.4.6 Mecanismos combinados de transmisión del calor.Bibliografía Transferencia de calor. J.P. Holman. 8ª ed. McGraw-Hill. Tema 1 Fundamentos de transferencia de calor. F.P. Incropera, D.P. De Witt. 4ª ed. Pearson Educ. Transferencia de calor. José A. Manrique. 2ª ed. Oxford University Press.Calorenergía transmitida debido a una diferencia de temperaturaTermodinámica1º principio cantidad energía2º principio sentido¿t?Transferencia de calor- naturaleza de la interacción- leyes de velocidad de transferencia, q dQ/dtMecanismos básicosConducción(medio material)Convección(transporte de materia)Ley de Fouriernaturalqx k AdTdxforzadaLey de Newton del enfriamientoq h A (TS T )Radiación(onda electromagnética)Stefan-Boltzmannq σ AT 4
ConducciónSe efectúa por interacción entre partículas adyacentes, transfiriéndose calorde las partículas más energéticas a las menos energéticas¾ Existe un medio material a través del cual se propaga el calor¾ Se realiza sin transporte de materiadTLey de Fourierq x kAdxde la conducción– área, A,a través de la cuál se transmite– gradiente de temperaturas, dT/dx– Sentido contrario al gradiente– k, conductividad térmica (W/m·K )q calor transmitido por unidad de tiempo (W)q' calor transmitido por unidad de tiempo y longitud (W/m) (p.ej. un hilo)q'' calor transmitido por unidad de tiempo y área (W/m2) (p.ej. una placa)JGJG Si la transferencia de calor se realiza en más de una dirección: q '' k TEjemplo: transmisión a través de una pared plana de espesor L en la quese mantiene cada una de las caras a diferentes temperaturas, T1 T2 Aparece una transferencia de calor de T1 a T2TT1K cte Considerando k cte f(T)qx” régimen estacionario: qx'' cte dT/dx cteDa lugar a una distribución de temperatura lineal: q x'' kT2LT2 T1T T k 1 2LLx
ConvecciónEs un transporte de energía como consecuencia del movimientomacroscópico de un fluido¾ se da en fluidos (líquidos o gases)¾ está asociada a un transporte de materiaconvecciónnaturalforzadaNatural: el movimiento es consecuencia de diferencias de densidaden el fluido ocasionadas a las diferencias de temperaturas. Comoconsecuencia, bajo la acción gravitatoria, las partes más calientes(menor densidad) suben, y las más frías (más densas) desciendenForzada: el movimiento es ocasionado por algún dispositivo o agenteexterno (ventilador, viento, )Particularmente nos va a interesar el caso en que la transferencia de calorpor convección en un fluido en movimiento en contacto con una superficiesólida que se encuentran a distinta temperaturaFuido a v y T aparece un gradiente de velocidadesy TS T q del sólido al fluido el gradiente de T depende de lascaracterísticas del flujov 0q h A (TS –T )q''T TSSuperficie a TSDistribución develocidad v (y) Ley de Newtonde enfriamientoyv Distribución detemperatura T(y)– área, A, de la superficie– diferencia de temperaturas, TS - T – h, coeficiente de película (W/m2·K)
RadiaciónLa energía se transmite en forma de ondas electromagnéticas¾ No necesita un medio material, puede propagarse en el vacío¾ La radiación térmica abarca 10-4 λ 10-7 m¾ Todos los cuerpos, a T 0 K, emiten radiación térmicaLey deStefan-Boltzman(cuerpo negro)q σ AT4– A, área de la superficie radiante– T4– σ 5,670 10-8 W/m2·K4 coeficiente de.Stefan-Boltzman El cuerpo negro es un sistema ideal, es el que emite más energía a una T En general, la transferencia de energía por radiación, entre dos cuerposa diferentes temperaturas T1 y T2T2T1q12q Fσ A1 (T14 T24 )F es un factor que depende de las características decada superficie y la relación geométrica entre ellas
Las leyes de Fourier de la conducción, Newton de enfriamiento yStefan-Boltzman, no son tales leyes físicas, sino ecuaciones querelacionan diferentes magnitudes y definen los coeficientes, k, h y FMecanismos combinados En general la transmisión de calor, en una zona del espacio, se realizarámediante varios de los mecanismos de forma simultánea. En algunos casos es posible considerar que alguno de ellos esdespreciable frente a los otrosEjemplo: cámara de combustión de un motor En el cilindro el calor se transfierepor radiación y convección Atraviesa las paredes por conducción Y se transmite en el refrigerante porconvecciónProblema 1T 1 25 ºCqsolar 60Wqh1qradqhT1qkA 180 x 10-3 m2L 3,5x 10-2 mqh2Paredh1 20 W/m2·KqkxGases decombustiónT2h2 15 W/m2·KT 2 25 ºCqsolar – qh1 qkqsolar – h1 A ( T1 - T ) k A/L ( T1 - T2)qk qh2k A/L ( T1 - T2) h2 A ( T2 - T )Refrigeranteqh
Problema 1TLh1(T T )K 1 qsolarAT2 T Lh1 h2 hhK 12T1 T2 T1 37,4 ºCT1 34,8 ºCT1 T2 34,5 ºCT2 34,2 ºCT2 30,7 ºCTabla B y Ck cobre 386 W/m·Kk cemento 0,75 W/m·Kk corcho 0,045 W/m·KT 25 ºCq 25,8 WPlacaq 23,1 Wq 1,6 Wx
4.6 Mecanismos combinados de transmisión del calor. Bibliografía Transferencia de calor. J.P. Holman. 8ª ed. McGraw-Hill. Tema 1 Fundamentos de transferencia de calor. F.P. Incropera, D.P. De Witt. 4ª ed. Pearson Educ. Transferencia de calor. José A. Manrique. 2ª ed. Oxford University Press. Calor energía transmitida debido a .
