Transferencia de calor

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INTRODUCCION
Transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende no sólo explicar cómo la energía térmica puede ser transferida, sinotambién predecir la rapidez con la que, bajo ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa transferencia. El hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia de calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica. La termodinámica trata sistemas en equilibrio; puede usarse para predecir la cantidad de energía requerida para llevar un sistemadesde un estado de equilibrio a otro; no puede usarse, en cambio, para predecir lo rápido que será el cambio, ya que el sistema no está en equilibrio durante el proceso. La transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinámica, al proporcionar leyes experimentales adicionales que se usan para establecer la rapidez de la transferencia de energía. Como la cienciade la termodinámica, las leyes experimentales usadas como base para la transferencia de calor son bastante simples y fácilmente extensibles, de modo que abarcan gran variedad de situaciones prácticas.
Como un ejemplo de los diferentes tipos de problemas que son tratados por la termodinámica y por la transferencia de calor, considérese el enfriamiento de una barra de acero caliente que seintroduce en un cubo con agua. La termodinámica puede utilizarse para predecir la temperatura final de equilibrio del conjunto barra de acero-agua. La termodinámica no dirá cuánto tiempo tardan en alcanzar la condición de equilibrio. La transferencia de calor utilizarse para predecir la temperatura de la barra y del agua como función del tiempo.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
Cuando en uncuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que hay una transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:
qA∼∆TTx
Cuando se introduce la constante de proporcionalidad:
q=-kA∆TTx(1.1)
Donde q es el flujo de calor y ∆TTx es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. La constante positiva k se llama conductividad térmica del material, y se ha puesto el signo menos para satisfacer el segundo principio de la termodinámica: esto es, el calor de fluir hacia las temperaturas decrecientes, como se indica en el sistema de coordenadas de la figura. LaEc(1.1) se llama ley Fourier de la conducción de calor en honor al físico-matemático francés Joseph Fourier, quien hizo contribuciones muy importantes al tratamiento analítico de la transferencia de calor por conducción. Es importante señalar que la Ec. (1.1) es la ecuación que define la conductividad térmica y que k tiene las unidades de vatios por metro y por grado Celsius en un sistema de unidadesen el que el flujo de calor se exprese en vatios.

La conductividad térmica para gases, a temperaturas moderadamente bajas pueden utilizarse los tratamientos analíticos de la teoría cinética de gases para predecir con precisión los valores observados experimentalmente. En algunos casos, se dispone de teorías para la predicción de las conductividades térmicas de los líquidos y sólidos, pero, porlo general, cuando se trata de líquidos y sólidos es preciso calificar algunas cuestiones y conceptos todavía abiertos.
El mecanismo de la conducción térmica en gases es muy simple. Se identifica la energía cinética de una molécula con su temperatura; así, en una región de alta temperatura, las moléculas poseen velocidades más altas que en una región de baja temperatura. Las moléculas están...
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