Transferencia de calor

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2.1 TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de energía que puede ocurrir 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 no sólo trata de explicar cómo puede ser transferida la energíacalorífica, sino también trata de predecir la rapidez a la que se realizará este intercambio bajo ciertas condiciones especificadas.

El hecho de que un régimen de transferencia de calor sea el objetivo deseado de un análisis, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica. La termodinámica se ocupa de sistemas en equilibrio; se puede utilizar para predecir la cantidad deenergía requerida para pasar un sistema de un estado de equilibrio a otro; no puede usarse para predecir qué tan rápido se realizará un cambio, ya que el sistema no se encuentra en equilibrio durante el proceso.

La transferencia de calor completa al primer y segundo principios de la termodinámica, al proporcionar reglas experimentales adicionales que se pueden utilizar para establecer rapidecesde transferencia de energía. Tal como en la ciencia de la termodinámica, las reglas experimentales utilizadas como base del tema de la transferencia de energía son muy simples y se les puede ampliar con facilidad para que abarquen diversas situaciones prácticas.

El calor se puede transmitir de tres formas:

* Transferencia de calor por conducción
* Transferencia de calor por convección
*Transferencia de calor por radiación

Como un ejemplo de los diferentes tipos de problemas que son tratados por la termodinámica y la transferencia de calor, considérese el enfriamiento de una barra de acero caliente que se coloca en un recipiente con agua. La termodinámica puede usarse para predecir la temperatura de equilibrio final de la combinación de la barra de acero y agua. Latermodinámica no nos dirá cuánto tardará en alcanzar esta condición de equilibrio o cuál será la temperatura de la barra después de pasado un cierto tiempo antes que se alcance la condición de equilibrio. La transferencia de calor puede usarse para predecir la temperatura tanto de la barra como del agua, en función del tiempo.

2.1.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCION

La experiencia ha demostrado quecuando existe un gradiente de temperatura en un cuerpo, hay una transferencia de energía de la región de alta temperatura a la de baja temperatura. Decimos que la energía es transferida por conducción y que la rapidez de transferencia de energía por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:

qA= ∂T∂x Ecuación (1)
** Cuando se inserta la constante de proporcionalidad,
*
q= -k A ∂T∂x Ecuación (2)
en donde q es la rapidez de transferencia de calor y ∂T/∂x es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. A la constante positiva k se le llama la conductividad térmica del material, y el signo menos se inserta para que se satisfaga elsegundo principio de la termodinámica, es decir, el calor deberá fluir hacia abajo en la escala de temperatura. A la Ecuación 2 se le llama la ley de conducción de calor de Fourier en honor al físico matemático francés Joseph Fourier, quien realizó importantes contribuciones en el tratamiento analítico de la transferencia de calor por conducción. Es importante observar que la Ecuación 2 es laigualdad que define la conductividad térmica y que en un sistema de unidades típico en el que el flujo de calor es expresado en watts, k tiene las unidades de watts por metro por grado Celsius.

Ahora nos planteamos el problema de determinar la ecuación básica que gobierna la transferencia de calor en un sólido, utilizando la Ecuación 2 como punto de partida. Considérese un sistema unidimensional que...
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