practica 1 de fenomenos de transporte

Universidad Autónoma de San Luis Potosí
Facultad de Ingeniería
Área de Metalurgia y Materiales
Laboratorio de Fenómenos de Trasporte
Practica 1: Conductividad Térmica de Sólidos

Elaborado por: Fecha
Jorge Homar Ayala Hernández 13 de mayo de 2013

Objetivo: Para medir la conductividad térmica de los sólidos se han desarrollado variastécnicas experimentales; se emplean métodos que aplican los estados de régimen estable y transitorio. Desde luego, para efectuar la determinación precisa de los valores de conductividad térmica es necesario realizar un cuidadoso análisis de la técnica en cuestión. En esta práctica se medirá la conductividad térmica de los sólidos, utilizando un sencillo procedimiento en régimen transitorio.Antecedentes Teóricos: Se introduce un cuerpo inicialmente a temperatura constante dentro de un baño termostático. El tiempo que debe transcurrir para que cada uno de sus puntos alcance otro valor de temperatura depende: de la forma geométrica y dimensiones del objeto, y de las propiedades físicas del material de que consta. Cuando a muestras geométricamente y dimensiones idénticas se someten a similarescondiciones térmicas, el tiempo necesario para que ocurran cambios térmicos en cada una de ellas varía dependiendo de sus respectivamente propiedades físicas.

En la práctica se ensayara con dos muestras de distintos materiales: aluminio (alta conductividad térmica) y madera (baja conductividad térmica).

En la muestra de aluminio, debido a sus alta conductividad térmica, se considera que latemperatura es uniforme (esta hipótesis se puede comprobar al revisar el registro histórico de temperaturas para dos posiciones de la muestra).

La ecuación a resolver es:



Donde:

ρ es densidad
Cp es el calor específico
V es el volumen de la muestra
h es el coeficiente de transferencia de calor por convección
A es el área de contacto de la muestra con agua
T es la temperatura
To esla temperatura inicial de la muestra
Tf es la temperatura del agua

El perfil de temperaturas es:




A partir de los datos obtenidos en la muestra de aluminio se obtendrá el valor de coeficiente de transferencia de calor “h”.

En la muestra de madera, debido a su baja conductividad térmica se tendrá que la distribución de temperaturas no es uniforme y depende de su posición radial(esta hipótesis se puede comprobar al revisar el registro histórico de temperaturas para dos posiciones en la muestra).

En este caso hay que aplicar la Ley de Fourier en condiciones de régimen transitorio y coordenadas cilíndricas. En este caso se tiene la siguiente ecuación:




Condiciones inicial:

Cuando t=0, T=To, Para 0 ≤ r ≤ R

Condiciones de frontera:

Cuando r=0, tenemosCuando r=R, tenemos

Una solución exacta es:



Siendo:
Βn son las raíces de la ecuación 

Jn (x) es la función de Bessel de n-esimo orden. (Excel tiene la posibilidad de calcular esta función).

Si el valor de “h” es muy alto entonces la conducción a la frontera convectiva puede tratarse como una superficie a temperatura constante. De lo anterior, se tiene que:

r=R se tieneque T=Tf

y la ecuación que describe el perfil de temperaturas en función del tiempo y la posición es:





Donde los valores de λn se obtiene a partir de la siguiente ecuación:



k es la conductividad térmica del material
α=k/(ρCp) es la difucividad térmica del material

Material:

Baño de temperatura constante, de dimensiones relativamente grandes, dotado de control automáticode temperaturas.
Termómetro
Cronómetro
Muestra de aluminio
Muestra de madera



Desarrollo Experimental:

Primero se le agrego agua a la cámara de baño térmico hasta llenarla, una vez llena se cierra la válvula que conecta la bomba con la cámara, se tiene que verificar que la manguera que va de la bomba a la cámara este bien sujeta para que no sucedan fugas de agua o se tire. Se...