Transferencia De Calor

Mecanismos basicos de la transferencia de calor
1.1 Conduccion
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Losmejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. Para un volumen de espesor ∆x, con área de sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2> T1, como se muestra en al figura 14.2, se encuentra que el calor ∆Q transferido en un tiempo ∆t fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = ∆Q/∆t, está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier.
H=dQdT= -KAdTdx
donde k (en W/mK) se llama conductividad térmica del material,magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura.
El signo menos indica que la conducción de calor es en la dirección decreciente de la temperatura. En la tabla 14.1 se listan valores de conductividades térmicas para algunos materiales, los altos valores de conductividad de losmetales indican que son los mejores conductores del calor.

Metales a 25ºC | Gases a 20ºC |
Sustancia | k (W/mK) | Sustancia | k (W/mK) |
Aluminio | 238 | Aire | 0.0234 |
Oro | 314 | Hidrogeno | 0.172 |
Cobre | 397 | Helio | 0.138 |
Hierro | 79.5 | Nitrógeno | 0.0234 |
Plomo | 34.7 | Oxigeno | 0.0238 |
Plata | 427 | | |
Laton |110 | | |
Si un material en forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su largo por un material aislante, como se muestra en la figura 14.3, cuyos extremos de área A están en contacto térmico con fuentes de calor a temperaturas T1 y T2 > T1, cuando se alcanza el estado de equilibrio térmico, la temperatura a lo largo de la barra es constante. En ese caso el gradiente detemperatura es el mismo en cualquier lugar a lo largo de la barra, y la ley de conducción de calor de Fourier se
puede escribir en la forma:
H=KA T2-T1L

1.2 Conveccion
La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia esobligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.
En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección.
Unmodelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de enfriamiento de Newton, es el siguiente:
H = h A (TA – T)
donde h se llama coeficiente de convección, en W/(m2K), A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T, como se muestra en el esquema de la figura.
AguaT

H



TA
A
El flujo de calor por convección es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA < T).

Valores típicos de coeficiente de convección.
Procesos | h (W/m2K) |...