TRANSMISION DEL CALOR

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1 TRANSMISION DEL CALOR JAVIER DE LUCAS

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2 FORMAS DE TRANSMISIÓN CONDUCCIÓN CONVECCIÓN RADIACIÓN Ambiental Física

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3 Concepto de flujo Una magnitud física... A Carácter vectorial... Una superficie... S Flujo de A a través de la superficie S A  CANTIDAD ESCALAR Ambiental Física

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4 Sentido físico de distintos tipos de flujo Transporte de partículas : El flujo es el número de partículas transportadas por unidad de tiempo n v x t N Número de partículas que atraviesan la superficie en el intervalo t S N = n Sx x = v t N = n S v t Ambiental Física

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5 Flujo de calor Energía que atraviesa una superficie por unidad de tiempo  Potencia Energía Tiempo Potencia = watios Densidad de flujo Potencia que atraviesa una superficie por unidad de tiempo y unidad de área A Potencia Área Watios/m 2 Ambiental Física

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6 Mecanismos de transmisón de calor Conducción : transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material. Convección : transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia. Convección natural : el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura. Convección forzada : la causa del mezclado es un agitador mecánico o una diferencia de presión (ventiladores, compresores...) impuesta externamente. Radiación : transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos. Ambiental Física

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7 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 Ambiental Física

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8 Conducción Ley de Fourier : determinación del flujo de calor (Estado estacionario) Calor difundido por unidad de tiempo 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 Superficie ( m 2 ): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor Gradiente de temperatura ( grados/m ): variación de la temperatura en la dirección indicada por x . X Ambiental Física

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9 Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente 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 Ambiental Física

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10 Conductividad térmica Área A Espesor Calor transferido en el tiempo t EJEMPLO 1: CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana) Integración de la ecuación de Fourier Ambiental Física

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11 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 T fuera x dentro x fuera Gradiente de temperaturas constante   la temperatura varía linealmente Gradiente de temperaturas constante   densidad de flujo constante 0.34 m T dentro Ambiental Física

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12 Resistencias térmicas Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción x T 1 T 2 Conductividad Resistencia térmica en W -1 ·m 2 ·K Similitud con circuitos eléctricos Ambiental Física

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13 Ejemplo. Resistencias en serie R 1 R 2 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 . W -1 ·m 2 ·K W -1 ·m 2 ·K W -1 ·m 2 ·K Resistencias en serie W -1 ·m 2 ·K R 1 R 2 2 10 3 (cm) Ambiental Física

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14 EJEMPLO 2: CONDUCCIÓN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA T 1 T 2 a b r r Ambiental Física

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15 400 ºK 300 ºK 10 cm 0.5 Ambiental Física

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16 30 35 40 45 50 T (ºC) 08:00 10:00 05:00 12:00 15:00 18:00 Altura 15 cm 30 cm 60 cm 1.20 m 10.0 m 2.40 m -2 cm -5 cm -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. Ambiental Física

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17 Difusividad térmica m 2 s -1 Calor específico Ambiental Física

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18 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 Convección forzada Ambiental Física

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19 Ambiental Física 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.

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20 Ley de enfriamiento de Newton Temperatura superficial Temperatura del fluido libre Coeficiente de convección Superficie de intercambio T superficial T fluido libre Capa límite T Ambiental Física

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21 Valores típicos del coeficiente de convección Ambiental Física

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22 Distancia Velocidad Velocidad Distancia Laminar Turbulento Perfiles de velocidad Ambiental Física

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23 Superficie Distribución de temperaturas Distancia Temperatura Capa límite T superficie T fluido libre (región de temperatura uniforme) Ley de Newton del enfriamiento Perfiles de temperaturas Ambiental Física

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24 Ambiental Física

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25 Ambiental Física Viscosidad : propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la deformación Dentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de fricción entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan de esfuerzo cortante (“shearing stress”) y dependen del gradiente de velocidades del fluido. Viscosidad dinámica Gradiente de velocidad (Pa · s=N·s/m 2 ) (1 Pa · s = 10 Poise) z c c+dc F A

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26 Viscosidad cinemática (m 2 s -1 ) Fluidos viscosos  fricción entre capas, disipación energía cinética como calor   aportación de energía para mantener el flujo Fluidos viscosos en régimen laminar  fricción entre capas, disipación como calor   existen intercambios de energía entre capas adyacentes de fluido Ambiental Física

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27 Flujo laminar y flujo turbulento Número de Reynolds Si Re < Re CRÍTICO  Régimen laminar Si Re > Re CRÍTICO  Régimen turbulento Valores típicos Superficie plana: Re CRÍTICO  510 -5 Conducto cilíndrico: Re CRÍTICO  2200 Ambiental Física

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28 Geometría Aspereza Permeabilidad Subcapa agitada Capa superficial: flujos verticales prácticamente constantes Capa externa Atmósfera libre Decenas de metros  1 km Dirección del flujo  Factores locales Dirección del flujo  Condiciones superficiales y rotación terrestre Dirección del flujo  Gradientes horizontales de P y T , rotación terrestre Ambiental Física

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29 Z X Y RADIACIÓN Ambiental Física

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30 TRANSMISION DEL CALOR FIN

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