Mecanismos de transferencias de calor

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II. II.1.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN MECANISMO

La transmisión de calor por conducción puede realizarse en cualquiera de los tres estados de la materia: sólido líquido y gaseoso. Para explicar el mecanismo físico de la conducción, pensemos en un gas en el que existe un gradiente de temperaturas y no hay movimiento global. El gas ocupa todo el espacio entre las dos superficies comose muestra en la figura 1. Asociamos la temperatura del gas en cualquier punto con la energía que poseen sus moléculas en las proximidades de dicho punto. Cuando las moléculas vecinas chocan ocurre una transferencia de energía desde las moléculas más energéticas a las menos energéticas. En presencia de un gradiente de temperaturas la transferencia de calor por conducción debe ocurrir en elsentido de la temperatura decreciente, esto es en la dirección positiva del eje de las x .

En los líquidos la situación es muy similar que en los gases, aunque las moléculas están menos espaciadas y las interacciones son más fuertes y frecuentes. En los sólidos la conducción se produce por cesión de energía entre partículas contiguas (vibraciones reticulares). En un sólido no conductor latransferencia de energía ocurre solamente por estas vibraciones reticulares, en cambio en los sólidos conductores se debe también al movimiento de traslación de los electrones libres. La conducción en un medio material, goza pues de un soporte, que son sus propias moléculas y se puede decir que macroscópicamente no involucra transporte de materia.

q

q

Figura 1 Asociación de la transferencia de calorpor conducción con la difusión de energía debida a la actividad molecular

ENERGÍA SOLAR – Transferencia de calor - 17

II.2

TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN EN RÉGIMEN ESTACIONARIO Y FLUJO UNIDIRECCIONAL. LEY DE FOURIER.

La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos. Cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura en ladirección x, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura, siendo el calor transmitido por conducción Qk , proporcional al gradiente de temperatura dT dx , y a la superficie A , a través de la cual se transfiere, esto es:
Qk ∝ A dT dx

en donde T es la temperatura y x la dirección del flujo de calor (no el sentido).

El flujo real de calor depende de laconductividad térmica k , que es una propiedad física del cuerpo, por lo que la ecuación anterior se puede expresar en la forma:
Qk = − k A dT dx

ec. 1

en la que si la superficie A de intercambio térmico se expresa en m2 , la temperatura en Kelvin

( K ) , la distancia

x en metros y la transmisión del calor en W , las unidades de k serán W / m K .

La ecuación 1 se conoce como Ley deFourier.

Figura 2

Convenio de signos para la transmisión del calor por conducción

El signo menos (-) es consecuencia del Segundo Principio de la Termodinámica, según el cual, el calor debe fluir hacia la zona de temperatura más baja (figura 2). El gradiente de temperaturas es negativo si la temperatura disminuye para valores crecientes de x , por lo que si el calor transferido en ladirección positiva debe ser una magnitud positiva, en el segundo miembro de la ecuación anterior hay que introducir un signo negativo.
ENERGÍA SOLAR – Transferencia de calor - 18

PARED PLANA Una aplicación inmediata de la ley de Fourier corresponde al caso de la transmisión del calor a través de una pared plana, figura 3. Cuando las superficies de la pared se encuentran a temperaturas diferentes,el calor fluye sólo en dirección perpendicular a las superficies. Si la conductividad térmica es uniforme, la integración de (1) proporciona:
Qk = −

(T − T ) kA kA (T2 − T1 ) = (T1 − T2 ) = 1 L 2 L L kA

Figura 3

Muro plano

en la que L

es el espesor de la pared, T1 es la temperatura de la superficie de la izquierda

x = 0 y T2 es la temperatura de la superficie de la derecha x =...
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