Mecanismos de transferencia de calor

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
“UNIDAD AZCAPOTZALCO”


Trabajo de investigación

PORTUGUEZ CORTÉS JUAN CARLOS


grupo: 6MV5

Boleta: 2013360231


Transferencia de calor







Mecanismos de transferencia de calor
Conducción
La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contactodirecto entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad delos materiales para oponerse al paso del calor.
La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas: moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica: enun fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres (principalmente en metales) o de los modos de vibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos).
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma queaumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos tambiéntienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales,estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.
Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor:

donde:
 es la calor transmitido por unidad detiempo.
 (o ) es la conductividad térmica.
 es el área de la superficie de contacto.
 es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío.
 es el espesor del material.

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esadirección. De forma vectorial:

donde:
: es el vector de flujo de calor por unidad de superficie (W m-2).
: es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m-1 K-1).
: es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material ( K m-1).
De forma integral, el calor que atraviesa una superficie S por unidad de tiempo viene dado por la expresión:

El caso más...