Biotecnologia

Procesos de Difusión
Física Ambiental. Tema 4.

Tema 4. FA (Prof. RAMOS)

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Tema 4.- " Procesos de Difusión"
• Conducción del calor: ley de Fourrier, conductividad térmica. • Convección del calor: Ley de enfriamiento de Newton. • Radiación térmica: cuerpo negro (leyes de Kirchhoff , Wein y Stefan-Boltzmann). • Difusión molecular: Ley de Fick. • Teorema de continuidad.- Ecuaciónunidimensional de la Difusión: coordenadas cartesianas, cilíndricas y esféricas. • Condiciones de contorno. • Aplicación a la transmisión unidimensional del calor en régimen estacionario: Resistencia térmica.
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Procesos de Difusión
Estructura de los procesos de difusión.

Procesos de Difusión
Difusión Molecular
Ley de Fick

Mecanismos de transmisión del calor Ley deFourrier
Conductividad Térmica

Leyes de la Radiación
Ley de Stefan Ley de Wien Ley de Kirchoff

Convección
Coeficiente de película
Ley de Newton

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Mecanismos de transmisión del calor.
CONDUCCIÓN:
Transporte de energía, en forma de calor, por vibración molecular. No hay transporte de materia.

CONVECCIÓN:
Transporte de energía, asociado al movimientorelativo de partes del sistema en su interior.

RADIACIÓN:
Transporte de energía, por medio del mecanismo de absorción/emisión de ondas electromagnéticas.
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Conducción del calor: ley de Fourrier, conductividad térmica.
Ley de Fourrier:

∆Q ∆T δQ dT ∝ ⇒ Φ = ∝ A ∆t ∆x dt dx
Φ x ( x, t ) = − KA ∂T ( x, t ) ∂x

1-Dimensión:

Φ = − KA
Experimento FA4

dT dxK- Conductividad térmica.(W/mK). φ-Flujo de energía (W). A- área (m2). dT/dx- gradiente de temperatura (K/m).
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Conducción del calor: conductividad térmica.
MATERIAL
Aire (27ºC) Agua (27ºC) Hielo Aluminio Cobre Oro Hierro Roble Vidrio Hormigón

K(W/mK)
0.026 0.609 0.592 237 401 318 80.4 0.15 0.7 a 0.9 0.19 a 1.3

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Conveccióndel calor.
El coeficiente de transmisión superficial del calor o coeficiente de película, representa la cantidad de calor intercambiado, por unidad de superficie, entre el material y el fluido ambiente que lo rodea cuando el gradiente de temperaturas es de 1º.

Φ = h∆T = h(Ts − T∞ )

h=

Φ (Ts − T∞ )

[Φ ] = W m 2 [h] = W m 2 K
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Convección del calor:Ley deenfriamiento de Newton.
Φ = h∆T = h(Ts − T∞ ) ⇓

δQ = hS∆Tdt
δW ≅ 0
⇓
Dilatación térmica despreciable.

δQ = hS∆Tdt = dU = − mcP dTs
⇓

dTS hS =− (TS − T∞ ) dt mcP
Experimento FA5 Tema 4. FA (Prof. RAMOS) 8

Convección del calor:Ley de enfriamiento de Newton.
Cuando la pérdida de calor de la superficie es proporcional a la diferencia de temperatura entre ella y el ambiente, éste contemperatura constante. La temperatura del la superficie decrece exponencialmente con el tiempo.

∫

τ hS dTS = −∫ dt 0 mc T0 (T − T ) S ∞ P
T

⇓
(Ts − T∞ ) = (T0 − T∞ )e
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−

hs t mc P
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Radiación térmica.

Los dos sistemas tienden al equilibrio térmico, segundo principio de la termodinámica, aunque no haya contacto físico entre ellos. El intercambio deenergía se realiza mediante absorción/emisión de ondas electromagnéticas.
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Radiación térmica: cuerpo negro (ley de StefanBoltzmann).
La radiación contenida en un espacio isotermo como el de la figura se puede considerar como de Cuerpo Negro. Ley de Stefan-Boltzmann: Cualquier cuerpo a una temperatura, T, en equilibrio térmico, emite una cantidad de radiación que,por unidad de tiempo, viene determinado por:

Φ- Potencia de radiación emitida (W). ε- Emisividad de la superficie. A- Área del emisor (m2) T- Temperatura de equilibrio del emisor (K). σ- Constante de Stefan-Boltzmann= 5.6703 10-8 (W/m2K4).

Φ = εσAT 4
Si el cuerpo es perfectamente negro ε=1, en caso de cuerpos grises 0< ε ( S1 + S 2 ) i

⇒

∆Suniv. > 0

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