Mecanismos para transferencia de calor

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. FACULTAD DE INGENIERIA.

TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor siempre se produce del sistema de temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja. La transferencia de calor se detiene cuando los dos sistemas alcanzan la misma temperatura. La energía no se transfiere de un sistema de temperatura baja a otro de temperatura más alta si no serealiza trabajo.
Los mecanismos básicos de transferencia de calor son: CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN y RADIACIÓN.

1) Conducción
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor debido a la interacción entre partículas adyacentes del medio. No se produce movimiento macroscópico de las mismas. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases aunque es característica de los sólidos, puesto queen gases y líquidos siempre se producirá convección simultáneamente.
Se debe a que a nivel atómico la energía cinética de los átomos aumenta conforme hay regiones más calientes que otras y desde estas regiones activas los átomos empujan a sus vecinos transfiriéndoles calor. En los metales este flujo es más eficiente porque los electrones libres pueden escapar de sus átomos a la red cristalinatransfiriendo aún más energía.

La CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (k) es una medida de la capacidad del material para conducir el calor. Sus unidades en el S.I. son: W / (m* ºC). En general, la conductividad térmica depende de la temperatura. En la práctica se evalúa la conductividad térmica a la temperatura promedio y se considera constante. Para los materiales anisótropos (las propiedades dependen de ladirección que se considere) la conductividad térmica depende de la dirección considerada. Por ejemplo, la conductividad térmica de la madera en sentido transversal a la fibra es diferente a la que se tiene en sentido paralelo a la misma.
La DIFUSIVIDAD TÉRMICA (a) estima cuán rápido se difunde el calor por un material y se define como:
a= k / (ro * Cp) . Unidades: m2 / s
-- k: conductividadtérmica
-- ro: densidad
-- Cp: calor específico a presión constante

Solo hay transferencia de calor entre regiones que están a diferente temperatura y la dirección del flujo siempre es de la temperatura más alta a la más baja. La corriente de calor en conducción esta dada por:

H=dQdt=kATC-TFL corriente de calor en conducción

Donde (Tc-Tf)/L es la deferencia de temperatura porunidad de longitud.
En el estudio de los campos de aislamiento se utiliza el concepto de resistencia térmica que es igual a L/k.

Fórmulas y leyes
El flujo de calor conducido a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (y signo contrario).
Campo de temperatura: T = T(x;y;z;t)
t: tiempo
Campo estacionario: T =T(x;y;z)
Gradiente térmico: ΔT = ∂T.i /∂x + ∂T.j /∂y + ∂T.k /∂z = ∂T/∂A | n /m.a
i,j, k, n: versores
La variación de temperatura por unidad de longitud se denomina gradiente de temperatura: ΔT/L.
Intensidad de flujo de calor: Φ = ΔQ/ΔA.Δt [J/m ².s] =[watt/m ²] [cal/cm ².h]
Flujo: H = ΔQ/Δt [J/s] =[watt] [cal/h]
Flujo lineal: H = k.A.ΔT/L [J/s] =[watt] [cal/h]
Flujo radial: H = 2.π.k.L.ΔT/ln(r2/r1) [J/s] =[watt] [cal/h]
Flujo esférico: H = 4.π.k.r1.r2.ΔT/(r2- r1) [J/s] =[watt] [cal/h]
H: flujo de calor [J/s].
k: conductividad térmica del material [J/s.m.°C].
A: sección de conducción.
L: longitud desde el punto de más calor al de menos calor.
a) Régimen estacionario: Φ = - λ .ÑT
b) Régimen estacionario y flujo en una sola dirección: ΔQ = - λ .ΔA.ΔT.Δt.Δl
c) Régimen noestacionario: Ñ ²T = ∂T ²/∂x ² + ∂T ²/∂y2 + ∂T2/∂z2 = ∂T/ α .∂t
α = λ /ce.Δ
Procedimiento general: i - se resuelve (c), obteniendo T.
ii - con (a) se calcula Φ .
iii - con Φ se calcula H.

2)Convección
La convección es el modo en que se transfiere la energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente (líquido o gas) . Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del...