CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

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1 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA A: JUSTIFICACIÓN En la climatización y en la calefacción de los edificios, se consumen cantidades muy grandes de energía, repercutiendo esto en forma directa sobre los costos de operación de una compañía (e incluso de una vivienda), y por su puesto, no se debe dejar de lado el costo ambiental. Una manera de lograr reducir la inversión en energía (y por ende reducir la contaminación) es mejorando el aislamiento y aprovechando mejor la energía en la edificación. La energía solar es muy importante y puede contribuir en la construcción grandemente, pero también lo hacen los materiales empleados. La importancia de los materiales usados como aislantes del calor, radica principalmente en proporcionar reducción del consumo energético. Así los encargados de diseñar materiales ofrecerán una amplia gama de productos, unos para uso en construcciones civiles, otros para instalaciones industriales, pues cada uno de estos actores tienen necesidades muy distintas en cuanto al uso y características técnicas únicas de los materiales requeridos, por ejemplo, los productos aislantes para las instalaciones industriales pueden demandar tipologías como: elevada temperatura de trabajo (continua), excelente comportamiento térmico a elevadas temperaturas y resistencia a la corrosión. Este tipo de protección se emplea para optimizar los procesos de transferencia del calor, así limitando la ganancia o pérdida del calor superficial, trabajando a temperaturas por encima o por debajo de la temperatura ambiente, pudiéndose controlar la condensación, conservar la energía minimizando las ganancias o pérdidas de calor no deseados, tener seguridad contra posibles incendios, protección contra la congelación minimizando la energía requerida para distribuir el calor y/o prevenir la condensación en caso de que fallen los sistemas de control térmico. B: OBJETIVOS - Identificar la importancia de la conductividad térmica. - Cuantificar la capacidad que tienen varios materiales para transmitir el calor. - Comparar los valores de conductividad térmica experimentales con los valores reportados en la bibliografía. CONCEPTOS CLAVE Transferencia del calor Conductividad térmica Medio ambiente C: NOTA TEORICA La diferencia de temperaturas en distintos puntos de un sistema genera los procesos de intercambio de calor, que pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación. Será objeto de estudio en esta experiencia de laboratorio la primera de ellas 1, la que se define como la transferencia de calor debido a una diferencia de temperatura entre los extremos de un material, sin desplazamiento apreciable de partículas. Este mecanismo de transferencia del calor implica la transferencia de energía cinética de una molécula a otra 1 Para conocer más de la convección y la radiación, puede ver: F%2Fwww.uclm.es%2Fprofesorado%2Fajbarbero%2FTeoria%2FFA07_08Procesos%2520de%2520Transporte1.ppt&ei=ByJlUN64HYW69QT_0YHoAg&usg=AFQjCNGiMDXp6cNdNfBtslb-CQYzuhW7Kg 1 rfiguero@gmail.com

2 adyacente. Se presenta principalmente en los sólidos, como ejemplo podemos mencionar la transferencia que se da en pareces de hornos, tuberías, cámara de refrigeración, o también en los frutos que se conservan en refrigeración o latas de conservas que se esterilizan. Para un material de espesor x, con área de sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes temperaturas T1 y T2, con T2 > T1, como se muestra en al figura 1, se encuentra que el calor Q transferido en un tiempo t fluye del extremo caliente al frío y es directamente proporcional al área A y a la diferencia de temperaturas T, e inversamente proporcional al espesor x, y por supuesto, directamente proporcional a las características del material propias que influyen en el proceso de transferencia del calor, representadas por la constante k (con unidades de W/mK), llamada conductividad térmica. 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. T H = ka = ka x ( T 2 T1 ) x (1) Figura 1: Transferencia del calor por conducción A la cantidad ( T 2 T1 ) x se le llama con frecuencia gradiente de temperatura. Los materiales con valores grandes de conductividad térmica (k) son buenos transmisores del calor; por el contrario, valores bajos son llamados aisladores térmicos. En la tabla 1, se muestran varios materiales con sus valores de conductividad. Tabla 1: Conductividades térmicas. CONDUCTORES DEL CALOR AISLADORES DEL CALOR CONDUCTIVIDAD CONDUCTIVIDAD TÉRMICA TÉRMICA k k (W/mºC) (W/mºC) Aluminio 238 Corcho 0,42 Cobre 397 Hormigón 0,8-1,13 Hierro 79,5 Fibra 0,34 Madera Pino Plata 427 Fibra Prensada 0,11 Latón 110 Vidrio 0, 84 La conductividad térmica de los materiales que se utilizarán en esta práctica se muestran en la tabla 2. 2 rfiguero@gmail.com

3 Tabla 2: Conductividades térmicas de los materiales utilizados en la práctica de laboratorio. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA k (W/mºC) CONDUCTIVIDAD TÉRMICA k (W/mºC) Masonita 0,047 Fibra cemento 0,43 Madera (pino) 0,11-0,14 Vidrio 0,72-0,82 Lexan 0,19 Asbesto 0,25 El hecho de que los distintos materiales tienen diferentes valores de conductividad térmica, nos ayuda a entender el fenómeno siguiente: Si sacamos del congelador una bandeja metálica con hielo y un paquete de comida congelada, cuál de estos objetos se siente más frío? La experiencia nos dice que la bandeja metálica se siente más fría pese a que está a la misma temperatura inicial que el paquete de cartón. Esto se explica por el hecho de que el metal tiene una conductividad térmica mucho mayor que el cartón y, por tanto, conduce el calor más aprisa y extrae calor de la mano con mayor rapidez. En consecuencia, la bandeja metálica se siente más fría que el paquete a pesar de no estarlo. Mediante un argumento similar usted podrá explicar por qué un piso de cerámica se siente más frío en los pies que un piso alfombrado. D: ES Y EQUIPO - Aparato para conductividad térmica (pasco TD-8561) - Multímetro digital (que permita medir temperatura) - Metros de madera - Vernier - Beakers de 100 y 500 y 1000 cm 3 3 rfiguero@gmail.com

4 - Calderas (TD-8556A) - Hielo en forma de cilindro - Placas de 5 materiales diferentes (masonita, madera, fibro cemento, lexan y vidrio) E: TRABAJO PREVIO - Investigue que es y como funciona un termo convencional o vaso Dewar. - Investigue por que por lo general los buenos transmisores del calor, son buenos conductores eléctricos. F: PROCEDIMIENTO 1. Mida el espesor L de cada una de las placas empleadas en este experimento, anote su valor en la tabla 3 2. Arme el equipo como se muestra en la figura 2, utilizando una de las placas. Cuide que la placa calce bien con el drenaje de modo que el agua no se escape. Use grasa para lograr un buen sello. Soque los tornillos para prensar la tablita a la cámara de vapor. ATENCIÓN Cada vez que soquen los tornillos que prensan la placa a la cámara de vapor, tenga mucho cuidado de no dañar el empaque que sirve de sello. De igual manera, no ralle las placas, no escriba sobre las placas, no es necesario que les ponga nombre, su profesor le ayudara a identificarlas. 3. Tome el recipiente con el hielo y mójelo de manera que el hielo se separe. Asegúrese que no contenga burbujas de aire, ni de agua líquida en su interior. No golpee ni maltrate el molde. 4. Mida el diámetro del cilindro de hielo y anótelo como di. Coloque el hielo sobre la placa como en la figura 2. No saque el hielo del molde pero asegúrese de que se mueva fácilmente en el molde. Coloque el molde con el extremo abierto sobre la placa y deje que el hielo se derrita al desarrollarse el experimento. Para asegurarse de que el hielo está a 0 C y que haga buen contacto con la placa, dele algunos minutos antes de empezar a tomar datos. Aun no conecte el vapor a la cámara de vapor. 5. Determine la taza de fusión del hielo debido al calor que procede del ambiente para ello haga lo siguiente: I. Mida y anote la masa del vaso (mv) que empleará para recoger el hielo fundido, anote dicho valor al final de la tabla 3.. II. Recoja el agua que procede del hielo que se ha fundido durante un intervalo dado, ta (pueden ser unos 10 minutos). III. Mida y anote la masa del vaso más el agua que procede del hielo que se ha fundido durante un intervalo dado (mvv) y, calcule la masa del hielo fundido por el ambiente, la que llamaremos ma, (ma = mvv mv). 4 rfiguero@gmail.com

5 Figura 2: Colocación del equipo a utilizar 6. Haga circular el vapor en la cámara de vapor, dele varios minutos para que la temperatura se estabilice y haya un flujo de calor constante. Coloque un segundo vaso en el drenaje de la cámara para recoger el vapor condensado. 7. Determine la taza de fusión del hielo con el vapor circulando, mida y anote mcv, la masa del hielo derretido y t, el tiempo para que se derritiera (trate de que este sea el mismo del punto 5, al que llamamos ta, puede ser unos 10 minutos). 8. Mida de nuevo el diámetro del hielo y llámelo df, anote su valor en la tabla 3 9. Repita el procedimiento anterior para cada una de las otras placas que dispone. PRECAUCIÓN Mantenga siempre el cilindro de hielo cubierto por el recipiente, para disminuir el ingreso de calor por otras fuentes distintas a la cámara de vapor, 5 rfiguero@gmail.com

6 Tabla 3: Datos experimentales VARIABLE ESPESOR L (m) Diámetro inicial di (m) Diámetro final df (m) Tiempo tasa de fusión ambiente ta (s) masa tasa de fusión ambiente MASONITA MADERA FIBRA CEMENTO LEXAN VIDRIO ma (kg) Tiempo tasa de fusión vapor t (s) masa tasa de fusión con vapor mcv (kg) Temperatura del hielo Th (ºC) Temperatura cámara de vapor Tf (ºC) Masa del recipiente: mv = kg. 6 rfiguero@gmail.com

7 G: RESULTADOS i. Para cada una de las placas proceda a determinar el diámetro promedio para cada material, use la siguiente formula, anote los resultados en la tabla 4. d PROM di + df = (2) 2 ii. iii. Proceda a calcular el área de transferencia de calor para cada material, use la siguiente formula, anote los resultados en la tabla 4. 2 A π d PROM = (3) 4 Determine la taza de fusión del hielo debido únicamente al gradiente de temperatura de fusión (Rgtf) para cada material, para ello calcule tanto la del calor procedente del ambiente y la del calor procedente del vapor de la cámara de vapor. R gtf m t cv = m t a a (4) iv. Con ayuda de la ecuación 1 y la información anterior determine la conductividad térmica de cada uno de los materiales. Emplee el calor de fusión (hf) del hielo como 3,33x10 5 J/kg y, además Q = m hf, la siguiente ecuación le puede ayudar: k = R h L gtf f A T Donde T es la diferencia de temperaturas entre la cámara de vapor y el hielo; T = Tf-Th. (5) H: CUESTIONARIO 1. Por qué sentimos algunos materiales más fríos que otros, aun cuando están a la misma temperatura? 2. Investigue como funcionan el radiador de un auto. 3. Investigue como se generan los huracanes y las corrientes marinas. 4. Clasifique los siguientes materiales en conductores y aisladores del calor, Explique su respuesta. a) Diamante; b) Oro; c) Cerámica; d) Polietileno; e) Estereofón; f) Plástico 7 rfiguero@gmail.com

8 Tabla 4: Resultados experimentales VARIABLE DIÁMETRO PROMEDIO dprom (m) ÁREA A (m 2 ) TAZA DE FUSIÓN Rgtf (kg/s) CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EXPERIMENTAL K (W/mK) CONDUCTIVIDAD TÉRMICA TEÓRICA K (W/mK) MASONITA MADERA FIBRA CEMENTO LEXAN VIDRIO 0,047 0,11 0,14 0,43 0,19 0,72 0,82 % DE ERROR I: COMPLEMENTOS Todo sobre Materiales de construcción contra incendios, la siguiente dirección: rfiguero@gmail.com