OBJETIVOS : TEORIA: CONDUCTIVIDAD TERMICA x x Lab. Termodinámica Ing. Alicia Avila Martínez

Transcripción

1 CONDUCTIVIDAD TERMICA OBJETIVOS : Determinar la conductividad térmica de una barra de metal. TEORIA: El calor se puede transferir de un punto a otro por tres métodos comunes: conducción, convección y radiación. Cada método puede ser analizado y cada uno tiene su propia relación matemática específica. El aparato de la conductividad térmica permite que uno investigue el índice de la conducción térmica a través de cinco materiales comunes usados en la construcción de edificios y tres metales, La ecuación que da la cantidad de calor conducida a través de un material es: Q = kk T t h En esta ecuación, Q es la energía térmica total conducida, A es el área por la cual la conducción ocurre, T es la diferencia de la temperatura entre los lados del material, t es el tiempo durante el cual la conducción ocurrió y h es el grueso del material. El término restante, k, es la conductividad térmica de un material dado. Las unidades para k dependen de las unidades usadas para medir las otras cantidades implicadas, Algunas conversiones de la muestra entre diversos sistemas posibles de unidades se demuestran en la tabla. Watt cm Btu in. in 2 - sec 0 R k 10-2 Btu in. In 2 - hr 0 R Btu ft ft: hr 0 R Btu in ft: hr R Watt x I os x Watt in. in.-0 R x Cal cm cm x sec x La importancia de k radica si uno desea conducir bien el calor (buen conductor) o mal (buen aislador). Por lo tanto, el tamaño relativo de k es de suma importancia para los diseñadores, los constructores y los ingenieros. (Elige)un material con un

2 valor pequeño de k no garantiza que una estructura bien-aislada. La cantidad de calor conducida hacia fuera en invierno (y que necesitar ser substituido) depende también de otros tres factores: d del área, del grueso y de la temperatura. De igual manera para el calor conducido adentro durante el verano La ecuación para determinar k es: k = Qh A T t La técnica para medir la conductividad térmica es directa. Una muestra del material que se probará se afianza con abrazadera entre un compartimiento del vapor, que mantiene una temperatura constante 100 del 0 C, y un bloque del hielo, que mantiene una temperatura constante de 0 0 C. Se fija una diferencia en temperatura entre las dos superficies del material en C. El calor transferido es medido recolectando el agua del hielo que derrite. El hielo se derrite a un índice de I gramo por 80 calorías del flujo del calor (el calor latente de fusión para el hielo). La conductividad térmica, k, por lo tanto se mide usando la siguiente ecuación: k = ccccc cc 2 sec = (mmmmmmhiiiiiiiiiiiii)(80ccc/gg)(eeeeeeeeeeeeeeeeee) (aaaaaaahiiii)(tttttt)(ddddddddddddddddddddddd) donde las distancias se miden en centímetros, masas en gramos, y tiempo en segundos. Material: Base Compartimiento del vapor con la herramienta para montar la muestra. Molde de hielo Muestras: Vidrio, madera, acrílico aconglomerado, cobre, latón, aluminio. Generador de vapor Balanza Cronómetro Vernier

3 Figure Equipment Included with the Thermal Conductivitv Apparatus PROCEDIMIENTO: 1. Llene los moldes del hielo de agua y congélelo. No congele el agua con la tapa del tarro. (Algunas gotas de un detergente en el agua antes de congelar ayudarán al agua para fluir más libremente mientras que derrite y no afectará perceptiblemente en los resultados.) 2. Ponga el molde debajo del agua caliente para aflojar el hielo en el molde. NO SAQUE EL HIELO DEL MOLDE. 3. Mida y registre h, el grueso del material de la muestra- 4. Monte el material de la muestra sobre el compartimiento del vapor según la figura 2. NOTA : Tenga cuidado de que el material de la muestra este al raz del canal del agua, para que el agua no se derrame, después apriete los tornillos que lo sostiene. Un poco grasa entre el canal y la muestra ayudará a crear un buen sello. 5. Mida el diámetro del bloque de hielo. Registre este valor como d 1. Coloque el hielo encima de la muestra según las indicaciones de la figura. No quite el hielo sino cerciórese de que el hielo puede moverse libremente en el molde. Ponga el lado abierto del molde del hilo contra la muestra, y deje que el hielo resbalar hacia fuera conforme el experimento procede.

4 Figura Deje que el hielo se aciente por algunos minutos para que se empiece a derretir y que entre en completo contacto con la muestra. (No tome el tiempo antes de que el hielo comience a derretir, porque puede que este a una temperatura menor a 0 0 C) 7. Obtenga los datos para determinar el índice para el cual el hielo se derrite a temperatura ambiente, como sigue: a) Determinar la masa del contenedor mc en donde se va a acumular el agua del hielo que de derritió y regístrelo. b) Recolectar el agua del hielo que se derrite por una cierta cantidad de tiempo (10 minutos) c) Determine la masa del contenedor más la del agua del hielo derretido m T y regístrela. d) Encuentre la masa del agua del hielo que se derritió. m HHHH m HHHH = m T mc 8. Haga fluir vapor en el compartimiento del vapor. Deje fluya por varios minutos hasta que las temperaturas se estabilice de modo que el flujo del calor sea constante. (Coloque un envase debajo del canal de drenaje del compartimiento del vapor para recoger el agua que se escapa del compartimiento.) 9. Vacié la taza usada para recoger el hielo derretido. Repita el paso 7, pero este vez con el vapor fluyendo en el compartimiento del vapor. Como antes, medida y registre m HHHH, la masa del hielo derretido, y t, el tiempo en el que el hielo se derritió (de 5 a 10 minutos). 10.Mida nuevamente el diámetro del bloque de hielo y registre el valor como d 2. DATOS Y CÁLCULOS.

5 1. Encuentre el diámetro promedio del hielo usando los valores tomados d 1 (al principio del experimento)y d 2 (al final del experimento) para obtener d pro. 2. Con el valor del diámetro promedio d pro determinar el área A que es el área donde existe el flujo de calor entre el hielo y vapor (asuma que A es solo el área en la que el hielo esta en contacto con el material de la muestra). 3. Divida m HHHH entre t y m HHHH entre t, para determina la razón de flujo R a (sin vapor fluyendo) y R (una vez que el vapor fluye), que corresponden al hielo que se derrite antes y después de que el vapor fluyó. 4. Reste R a a R para detenninar R 0 que es la razón de flujo únicamente cuando se da la diferencia en temperatura. 5. Calcular k : la conductividad térmica de la muestra: k (cal cm/cm 2 seg) = T = Temperatura de ebullición del agua (100 0 C a nivel de mar) Tabla de datos y cálculos: Muestra Aconglomerado 1.13 x Madera (Pino) x Acrílico 4.6 X Sheet Rock 10.3 x Vidrio Valores aceptable:

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