Conductividad a través de una bola de nilo

Experimentació en Enginyeria Química
EXPERIMENT – N 04

MESURA I MODELITZACIÓ DE LA TRANSMISSIÓ DE
CALOR EN SÒLIDS

1. OBJECTIUS DE L’EXPERIMENT
•

Mesurar l’evolució al llarg del temps de la temperatura d’un sòlid submergit en un bany isotèrmic.

•

Ajustar el model proposat a les dades experimentals obtingudes.

•

Determinar el valor de l’únic paràmetre d’aquest model: ladifusibilitat tèrmica del material.

•

Determinar el valor de la conductivitat tèrmica del material.

•

Predir el temps que trigarà el sòlid en assolir una temperatura determinada.

2. OBJECTIUS FORMATIUS
En acabar, les persones que hagin realitzat l’experiment hauran de poder:
•

Explicar la diferència entre calor i temperatura.

•

Enunciar el Primer i el Segon Principis de laTermodinàmica.

•

Explicar la coherència d’aquests principis amb la transferència de calor d’aquest experiment.

•

Explicar la llei de Fourier en termes de flux i força impulsora i en relació al Segon Principi.

•

Definir els conceptes de conductivitat tèrmica i de difusibilitat tèrmica i explicar-ne la diferència.

•

Explicar perquè el valor de la conductivitat tèrmica delsmaterials és una informació insuficient per
discriminar quins materials s’escalfen més ràpidament que altres.

•

Justificar l’ús de les variables de temps i temperatura adimensionals (X, Y) en aquest experiment.

•

Llegir i utilitzar correctament gràfics amb escales logarítmiques.

•

Definir i comparar model empíric i model de principis bàsics.

3. INTRODUCCIÓ
La velocitat a la quales transmet la calor i la velocitat a la qual s’escalfen o es refreden els materials
és molt important per al disseny d’equips i aparells i sobretot per a l’elecció d’aïllaments.
La transmissió de calor és un tema complex. En aquest experiment s’estudien alguns dels principis
fonamentals a través d’un cas simple: la variació en funció del temps de la temperatura d’un sòlid en
contacte amb unfluid que l’escalfa o el refreda. És clar que aquesta variació dependrà:

N 04

Experimentació en Enginyeria Química
•

De la temperatura del medi en el qual està submergit, per la qual cosa aquesta temperatura es
mantindrà constant mitjançant un bany isotèrmic.

•

De la geometria d’aquest cos sòlid, per a la qual cosa s’escollirà la més simple: l’esfèrica.

•

De les propietatstèrmiques intrínseques del material, per a la qual cosa s’escollirà un material
homogeni i isòtrop que es comporti físicament igual en tot el seu volum i en totes les direccions.

En aquestes condicions la transmissió de calor és un fenomen ben estudiat des de fa molt de temps i
hi ha models de principis bàsics que la descriuen acuradament. Malgrat això, aquests models són
matemàticamentcomplexos i difícils de resoldre. Quan el càlcul matemàtic era molt costós, la solució
numèrica de les equacions, un cop determinada, es publicava en forma de gràfics. Actualment, els
ordinadors poden resoldre numèricament aquestes equacions en fraccions de segon i ja no cal tenir
apuntades les solucions en un paper. Tanmateix, aquí es consideraran les dues opcions.

4. FONAMENT
La transmissióde la calor es pot descriure prou acuradament en funció, independent o combinada, de
tres models bàsics corresponents a tres casos clarament delimitats. Aquests mecanismes són:
Quadre 1. Mecanismes de transmissió de la calor

Mecanisme
CONDUCCIÓ

Medi

Transmissió

A través d’un sòlid o
entre sòlids en contacte.

Per interaccions a nivell atòmic i sense transport net de
matèria (nos’observa moviment a nivell macroscòpic)
Per transport de matèria. La convecció (transport) pot ser:

CONVECCIÓ

A través d’un fluid.

RADIACIÓ

No requereix d’un medi
material de transmissió;
pot tenir lloc al buit.

Natural: Deguda a
diferències de densitat (per
diferències de temperatura).

Forçada: A més a més,
per mitjans mecànics
(agitació).

D’un cos material a un...