transferencia de calor

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA

FÍSICA AMBIENTAL APLICADA
F
í
s
i
c
a

Tema 4. TRANSMISIÓN DEL CALOR

A
m
b
i
e
n
t
a
l

Equipo docente:
Antonio J. Barbero García
Alfonso Calera Belmonte
Pablo Muñiz García
José Ángel de Toro Sánchez

Departamento de Física Aplicada
UCLM
1

Concepto de flujo

S

Una magnitud física...
Carácter vectorial...

A

Unasuperficie...



F
í
s
i
c
a

A

S
Flujo de A a través de la superficie

 
  A S

  A  S  cos

CANTIDAD
ESCALAR

2

A
m
b
i
e
n
t
a
l

Sentido físico de distintos tipos de flujo
Transporte de partículas:
El flujo es el número de partículas transportadas por unidad de tiempo

v

t

S

N

Número de partículas que
atraviesan la superficie en
elintervalo t
N = nSx

x

x = v t
n 

numero partículas
unidad volumen

numero partículas 2 m numero partículas

m
s
m3
s

A
m
b
i
e
n
t
a
l

N = nSvt



F
í
s
i
c
a

N
 nS v
t

3

Flujo de calor
Energía que atraviesa una superficie
por unidad de tiempo  Potencia
watios

Potencia =

Energía
Tiempo

Densidad de flujo
Potencia queatraviesa una superficie
por unidad de tiempo y unidad de área
Watios/m2

dT

Q  kA
dx

T  T (x)

F
í
s
i
c
a

x


Q
dT
 k
A
dx

A
m
b
i
e
n
t
a
l

A

Potencia
Área

Unidades relacionadas con calor http://ps1.eis.uva.es/java/carinuri/pagshtml/dcha_ter.htm#Flucal
4

Mecanismos de
transmisón de calor

Conducción: transferencia de energíadesde cada porción de materia a la
materia adyacente por contacto
directo, sin intercambio, mezcla o
flujo de cualquier material.

Convección: transferencia de energía
mediante la mezcla íntima de distintas
partes del material: se produce
mezclado e intercambio de materia.

Convección natural: el origen
del mezclado es la diferencia de
densidades que acarrea una
diferencia de temperatura.F
í
s
i
c
a

A
m
Convección forzada: la causa del b
mezclado es un agitador mecánico i
e
o una diferencia de presión
n
(ventiladores, compresores...)
t
impuesta externamente.
a
l

Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas,
emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.
5

CONDUCCIÓN
La conducción es el únicomecanismo de transmisión del calor posible en los medios
sólidos opacos.
Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de
la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo
entre moléculas.

F
í
s
i
c
a
A
m
b
i
e
n
t
a
l

http://www.gcsescience.com/pen5.htm

6

Conducción

Ley de Fourier: determinación delflujo de calor

(Estado estacionario)


Qx
X

Calor difundido por
unidad de tiempo

Conductividad térmica (W·m-1·grado -1):
calor que atraviesa en la dirección x un
espesor de 1 m del material como
consecuencia de una diferencia de 1
grado entre los extremos opuestos

dT

Qx  kA
dx

F
í
s
i
c
a

Gradiente de temperatura
(grados/m): variación de
la temperatura enla
dirección indicada por x.

Superficie (m2): superficie a
través de la cual tiene lugar la
transmisión de calor
Experimento virtual de conducción del calor

http://www.jhu.edu/~virtlab/conduct/conduct.htm
7

A
m
b
i
e
n
t
a
l

Conductividades térmicas de algunos materiales
a temperatura ambiente
Material
Vapor de agua
Aire
Agua líquida
Mercurio
Espuma de poliestirenoPapel
Vidrio
Hielo
Plomo
Acero
Aluminio
Cobre

K (W·m-1·K -1)
k
0.025
0.026
0.61
8.4
0.036
0.13
0.35-1.3
2.2
34
45
204
380

Malos conductores

F
í
s
i
c
a

A
m
b
i
e
n
Buenos conductores t
a
l

La conductividad
... pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción
térmica cambia con
el estado de agregación
8

EJEMPLO 1:...