Fundamentos de análisis térmicos para el diseño de elementos mecánicos.

FUNDAMENTOS DE ANÁLISIS TÉRMICOS PARA EL DISEÑO DE ELEMENTOS MECÁNICOS. Unidad I

INTRODUCCIÓN
Del estudio de la Termodinámica sabemos que la energía puede ser transferida por interacción de un sistema con sus alrededores. Estas interacciones son llamadas Calor y Trabajo. Sin embargo, la Termodinámica se ocupa de los estados de los procesos durante el cual ocurre una interacción y no proveeinformación concerniente con la naturaleza de la interacción o la cantidad de tiempo en que esto ocurre. El objetivo de estas notas es el de extender el análisis termodinámico a través del estudio de los mecanismos de la Transferencia de Calor y a través del desarrollo de relaciones que permitan calcular la cantidad de calor transferido. En este capítulo se definirán los fundamentos de los conceptostratados en los capítulos siguientes. Esto se logrará resolviendo las siguientes preguntas: Que es la Transferencia de Calor?; Porqué es importante su estudio?; ¿Cómo es transferido?. Para contestar estas preguntas principiaremos por comprender el mecanismo físico que sustenta los procesos de transferencia de calor y la importancia de estos procesos en los problemas de la industria y del medioambiente. Una definición simple, aunque general, provee una respuesta satisfactoria a la pregunta: ¿Que es la transferencia de calor? “Transferencia de calor (o calor): es energía en tránsito como resultado de una diferencia, de. Temperatura" Siempre que exista una diferencia de temperatura en un medio o entre un medio puede ocurrir una transferencia de calor. Como se muestra en la figura (1-1) nosreferiremos a los diferentes tipos de procesos de transferencia de calor como "modos".

T1

T2

TS>Tf T1 Fluido en movimiento (Tf) q q TS q1 q2 T2

Figura (1.1). Modos de Transferencia de Calor, Conducción, Convección y Radiación.

Cuando existe un gradiente de temperatura en un medio estacionario, el cual puede ser un sólido o un fluido, usaremos el término "conducción" para referirnosal calor transferido a través de un medio. En contraste, el término “convección” refiere al calor transferido entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estos se encuentran a temperaturas diferentes. El tercer modo de transferencia de calor es denominado “radiación térmica”. Todas las superficies de temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. Por tanto, en laausencia de un medio intercurrente, el calor neto entre dos superficies a diferentes temperaturas será transferido por radiación. Como ingenieros es importante que comprendamos el mecanismo físico que sustenta los modos de transferencia de calor y de esta manera sabremos cómo usar las ecuaciones de cambio para cuantificar la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo.

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1.1 Conducción
Al mencionar la palabra “conducción”' deberemos inmediatamente evocar conceptos de actividad atómica y molecular, puesto que son los procesos en estos niveles los que sustentan este modo de transferencia de calor. La conducción en una sustancia puede ser visualizada como la transferencia de energía desde laspartículas de mayor nivel de energía hacia las de menor energía, debido a la interacción entre estas partículas. El mecanismo físico de conducción es más fácilmente explicado si consideramos un gas y usamos ideas familiares de la termodinámica. Considere un gas en el cual existe un gradiente de temperatura y suponga que no hay movimiento de su masa. El gas puede ocupar el espacio entre dossuperficies que son mantenidas a temperaturas diferentes, como se muestra en la figura ( 1-2). Nosotros asociamos la temperatura en T cualquier punto con la energía dr (T1>T2 almacenada por las moléculas del gas en dx la vecindad del punto Esta energía está relacionada al movimiento al azar de translación, así como a los movimientos xo qx internos vibracional y rotacional, de las qx moléculas. Además,...