ConduccionEstadoEstacionario

1. Conducción en Estado Estacionario.
1.1. Una Dimensión.
1.1.1. Introducción.

La Transferencia de Calor es el proceso en el que se intercambia energía en forma de calor (Q) entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugarsimultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.











Por termodinámica, sabemos que:

1ª Ley: Transformación de energía.
2ª Ley: No es posible flujo de calor de T2 a T1, pues T1T2.

Pero termodinámicamente nada se dice del tiempo que se necesita para un Q determinado.
El tiempo no es una variable en termodinámica.
La transferencia de calor es la rama dela ingeniería que se preocupa de estudiar fenómenos termodinámicos y su relación con el tiempo.

Existen tres posibilidades de transferencia de calor:

Conducción
Convección
Radiación.


CONDUCCIÓN

Es la transferencia de calor a través de un cuerpo o medio por diferencia de temperatura.
Se produce un traspaso de Q a través de un medio (sólido, líquido, gaseoso) por contacto físico.
El flujo deQ es desde T1 a T2, pues T1T2












La conducción, como ya se dijo, es la transferencia de calor a través de un material fijo. La dirección del flujo de calor es perpendicular a la pared, si las superficies de las paredes son isotérmicas y el cuerpo es isotérmico e isotrópico. El flujo de calor por hora es proporcional al cambio de temperatura a través de la pared y al área de la pared A.Si T es la temperatura en cualquier punto de la pared y x es el espesor de la pared en dirección del flujo de calor, la cantidad de flujo de calor dQ está dada por:

dQ = kdA (-dT/dx)
Q = k (A/L)  T

El término (-dT/dx) se conoce con el nombre de gradiente de temperatura y tiene signo negativo por ser mayor la temperatura en la cara de la pared donde x = 0 y menor en la cara donde x = x. Lacantidad instantánea de calor transferido es proporcional al área y a la diferencia de temperatura dT que impulsa el calor a través de la pared de espesor dx.

La constante de proporcionalidad k es característica de la transferencia de calor por conducción y recibe el nombre de conductividad térmica. La conductividad térmica de los sólidos tiene un amplio rango de valores numéricos, dependiendo de sies relativamente un buen conductor de calor como un metal o un mal conductor del calor como el asbesto.


CONVECCIÓN

Es un transporte de energía combinado donde se produce primero una conducción (de la pared al fluido en contacto) y después un movimiento y mezcla del fluido. Esto se aprecia en la siguiente figura:Existen dos tipos de convección:

Natural: Movimiento del fluido por diferencia en densidad.
Forzada: Movimiento del fluido por agente externo.

En la mayoría de los casos de transferencia de calor que se encuentran en la práctica industrial se transfiere calor de un fluido a través de una pared sólida a otro fluido. Supóngase un fluidocaliente a una temperatura t1 que circula por un lado de una pared metálica y un fluido frío en t7 que pasa por el otro lado, al que se adhiere una escama de espesor xn, ver próxima figura.















(R: remolinos, p.f.: película de fluido, E: escamas).

En el caso del flujo turbulento de un fluido junto a un sólido, en la cercanía inmediata de la superficie, existe una zonarelativamente tranquila de fluido que se denomina comúnmente película. Al acercarse a la pared del cuerpo el flujo tiende a hacerse menos turbulento y se desarrolla como flujo laminar inmediatamente adyacente a la pared. La película consiste en la porción del flujo que tiene esencialmente un régimen laminar (la subcapa laminar) y por el que se transfiere calor mediante conducción molecular.

El...