Informe de conducción térmica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA-SEDE BOGOTÁ
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
INFORME PRÁCTICA CONDUCCIÓN.

1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar la conductividad térmica de un material problema y calcular mediante ésta los porcentajes de la aleación del material.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar la conductividad térmica de unaaleación de aluminio.
• Estimar el porcentaje de acero de la aleación de aluminio.

• Comprender el funcionamiento del equipo y su eficiencia con base en los resultados obtenidos de pérdidas de energía por radiación y convección en la unidad de calentamiento y en la probeta.

2. MARCO TEÓRICO [1].

Para conocer la naturaleza de un material existen diversos métodos tanto físicos como químicosdependiendo el estado en el que se encuentre a las condiciones a las que se necesita. En el caso de los sólidos, cuando no se necesita hallar una composición muy específica teniendo en cuenta las aplicaciones para las que se utilizará el material, una de los métodos más aplicados es la determinación de la conductividad dados sus bajos costos en comparación a otros métodos.

En los equipos deconducción de calor para este tipo de determinaciones se garantiza que el material conduzca calor en una sola dirección que dependiendo de la geometría de la muestra a analizar, puede ser radial o longitudinal, en ambos casos se debe hacer un análisis de energía utilizando la ley de Fourier.

En este caso el equipo está diseñado para que la probeta constituida del material a analizar conduzca calorsolo en la dirección longitudinal, para tal fin se colocan materiales aislantes alrededor de esta manera se obliga a que la mayoría de la energía transferida en forma de calor sea transferida axialmente. Estos equipos se conforman en general de tres partes: el calentador, o unidad de calentamiento, que consiste en una barra de conductividad térmica conocida aislada, la probeta cuya conductividadtérmica se va a determinar y finalmente la unidad de enfriamiento compuesta por el mismo material de la probeta y a la que se extrae calor por contacto con agua garantizando así un estado de conducción estable, es decir que la temperatura en cada punto no cambia con el tiempo, dado que el calor suministrado por la unidad de calentamiento es a su vez retirado por la corriente de agua.

De acuerdoa la ley de Fourier para la transmisión de calor conductivo se tiene [2]:

(1)

De manera simplificada podemos considerar que la relación entre el calor y la temperatura para la experiencia en el laboratorio fue:

(2)
Donde:
(3)


Para determinar el calor involucrado en la ecuación (2) se debe establecer un balance general de energía en la probeta, es decir medir el calor queatraviesa a la probeta así:

(4)
Donde:



Para establecer el flujo de energía que entra a la probeta se deben tener en cuenta las pérdidas que se presentan

(5)

Donde:



De la misma manera se tiene para el flujo energético que abandona el probeta:

(6)

La potencia suministrada por la unidad de calentamiento se establece mediante la ley de Ohm como se muestra acontinuación:

(7)

Donde:




Las pérdidas de calor a través del equipo en cualquiera de las dos unidades ya sea la de calentamiento o la unidad donde se encuentra la probeta se pueden calcular mediante:

(8)

Donde:



Las pérdidas de calor por convección se refieren a la transmisión de calor entre la carcasa del la unidad y el aire que es un fluido que se encuentra a menortemperatura y se puede calcular utilizando la ley de enfriamiento de Newton

(9)
Donde:


(10)
Donde:


(11)
Donde:

(12)
(13)

Donde:
(14)
Donde:


(15)
Donde:


(16)

(17)



De forma análoga es posible calcular el calor perdido por radiación

(18)
Donde:



El calor extraído por el agua se establece mediante la siguiente relación que...