Transferencia de calor ESIME Azcapotzalco unidad 1

FUNDAMENTOS DE ANÁLISIS TÉRMICOS PARA EL DISEÑO DE ELEMENTOS MECÁNICOS.
Unidad I

INTRODUCCIÓN
Del estudio de la Termodinámica sabemos que la energía puede ser transferida por interacción de un sistema con sus
alrededores. Estas interacciones son llamadas Calor y Trabajo.
Sin embargo, la Termodinámica se ocupa de los estados de los procesos durante el cual ocurre una interacción y noprovee información concerniente con la naturaleza de la interacción o la cantidad de tiempo en que esto ocurre. El
objetivo de estas notas es el de extender el análisis termodinámico a través del estudio de los mecanismos de la
Transferencia de Calor y a través del desarrollo de relaciones que permitan calcular la cantidad de calor transferido. En
este capítulo se definirán los fundamentos de losconceptos tratados en los capítulos siguientes. Esto se logrará
resolviendo las siguientes preguntas: Que es la Transferencia de Calor?; Porqué es importante su estudio?; ¿Cómo es
transferido?. Para contestar estas preguntas principiaremos por comprender el mecanismo físico que sustenta los
procesos de transferencia de calor y la importancia de estos procesos en los problemas de la industria ydel medio
ambiente.
Una definición simple, aunque general, provee una respuesta satisfactoria a la pregunta: ¿Que es la transferencia de
calor?
“Transferencia de calor (o calor): es energía en tránsito como resultado de una diferencia, de. Temperatura"
Siempre que exista una diferencia de temperatura en un medio o entre un medio puede ocurrir una transferencia de calor.
Como se muestra en lafigura (1-1) nos referiremos a los diferentes tipos de procesos de transferencia de calor como
"modos".

T1

TS>Tf

T2

T1
Fluido en movimiento (Tf)
q

q
TS

T2
q1
q2

Figura (1.1). Modos de Transferencia de Calor, Conducción, Convección y Radiación.

Cuando existe un gradiente de temperatura en un medio estacionario, el cual puede ser un sólido o un fluido, usaremos eltérmino "conducción" para referirnos al calor transferido a través de un medio. En contraste, el término “convección”
refiere al calor transferido entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estos se encuentran a temperaturas
diferentes. El tercer modo de transferencia de calor es denominado “radiación térmica”. Todas las superficies de
temperatura finita emiten energía en forma de ondaselectromagnéticas. Por tanto, en la ausencia de un medio
intercurrente, el calor neto entre dos superficies a diferentes temperaturas será transferido por radiación.
Como ingenieros es importante que comprendamos el mecanismo físico que sustenta los modos de transferencia de calor
y de esta manera sabremos cómo usar las ecuaciones de cambio para cuantificar la cantidad de energía transferida porunidad de tiempo.

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FUNDAMENTOS DE ANÁLISIS TÉRMICOS PARA EL DISEÑO DE ELEMENTOS MECÁNICOS.
Unidad I

1.1 Conducción
Al mencionar la palabra “conducción”' deberemos inmediatamente evocar conceptos de actividad atómica y molecular,
puesto que son los procesos en estos niveles los que sustentan este modo de transferencia de calor. La conducción en una
sustancia puede ser visualizadacomo la transferencia de energía desde las partículas de mayor nivel de energía hacia las
de menor energía, debido a la interacción entre estas partículas.
El mecanismo físico de conducción es más fácilmente explicado si consideramos un gas y usamos ideas familiares de la
termodinámica. Considere un gas en el cual existe un gradiente de temperatura y suponga que no hay movimiento de su
masa. Elgas puede ocupar el espacio entre dos superficies que son mantenidas a temperaturas diferentes, como se
muestra en la figura ( 1-2).
Nosotros asociamos la temperatura en
T
cualquier punto con la energía
dr
(T1>T2
almacenada por las moléculas del gas en
dx
la vecindad del punto Esta energía está
relacionada al movimiento al azar de
translación, así como a los movimientos
xo
qx...