Propagación del calor: Conducción, Radiación y Convección

Transcripción

1 Propagación del calor: Conducción, Radiación y Convección

2 Calor Elcalor es la forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperaturas. En el SI, joule (J) 1 caloría (cal) Es la cantidad de energía que es necesaria transferir para aumentar la temperatura de 1 g de agua de 13,5 C a 14,5 C. 1 cal = 4,186 J El calor que se transfiere a un sistema puede ser positivo o negativo, este ultimo si es calor que se extrae del sistema. Calorías alimenticias y calorías físicas. 1 Cal = cal 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 2

3 En el fenómeno de conducción las moléculas colisionan contra las vecinas de modo que comparten energía cinética. Aislante térmico es un material que no permite el paso del calor entre dos sistemas que no están en equilibrio térmico. Conducción Un conductor térmico es un material que facilita el paso del calor entre dos sistemas térmicos que están a diferentes temperaturas. Propagación del calor 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 3

4 Conducción del calor Cuando se calienta una barra de hierro a la cual hay sujetas con cera unas puntas o unos clips. 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 4

5 Cuando los dos extremos de una barra tienen diferentes temperaturas, se produce conducción de calor de uno a otro extremo. Experimentalmente, se deduce que el flujo calorífico es directamente proporcional a la sección S del cuerpo y a la diferencia de temperatura por unidad de longitud. S área transversal de flujo K conductividad térmica se mide en J/s, W o cal/s. Conducción del calor Otra magnitud importante es la resistencia térmica, que se define como R=d/kA Q T2 T1 I = = ka t d 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 5

6 Conductividades térmicas de sustancias Sustancia Conductividad térmica (W/m ºC ) Aluminio 238 Cobre 397 ierro 79,5 Plomo 34,7 Acero 79 Asbestos. Madera Metales (a 25 ºC) No metales (valores aproximados) 0,08 Concreto 0,8 Vidrio: ormigón 0,8 ielo 1,7-2 Agua 0,59-0,60 Sustancia Conductividad térmica (W/m ºC ) Gases (a 25 ºC ) Aire 0,0234 elio 0,138 idrógeno 0,172 Nitrógeno 0,0234 Oxígeno 0,0238 Otros materiales Músculo animal. Grasa 0,2 Fieltro. Lana mineral 0,04 Vello 0,019 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 6

7 Transmisión de calor por conducción Las ventanas de doble cristal con cámara de aire aíslan bien y evitan las pérdidas de calor, al contrario de lo que sucede con las ventanas de un solo cristal. Cuál podría ser la explicación? 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 7

8 Techo de ichu vs. Techo de calamina 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 8

9 Ejemplo Una barra de acero de 10,0 cm de longitud se suelda a tope con una de cobre de 20,0 cm de longitud. Ambas están perfectamente aisladas por sus costados. Las barras tienen la misma sección transversal cuadrada de 2,00 cm de lado. El extremo libre de la barra de acero se mantiene a 100 ºC colocándolo en contacto con vapor de agua, y el de la barra de cobre se mantiene a 0 ºC colocándolo en contacto con hielo. Calcule la temperatura de la unión de las dos barras y la razón de flujo de calor. Solución Las corrientes de calor en las dos barras deben de ser iguales las barras del acero y cobre tienen la misma área A T acero cobre = k = k acero cobre (100 T ) A L acero ( T 0 ) A L cobre 07/06/2012 6/7/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 9

10 Ejemplo acero = k acero A (100 L T acero ) T cobre = k cobre A ( T 0 ) L cobre Reemplazando los valores, y despejando la temperatura T T= 20,7 C Obteniendo 15,9 W Luego determinamos la razón de flujo de calor o corriente térmica sustituyendo para cualquiera de los dos materiales 07/06/2012 6/7/2012 Anthony Y Macedo, Milachay, Soledad S Tinoco, Tinoco, L Arrascue Yuri Milachay 10

11 En el ejemplo anterior, suponga que las dos barras se separan, un extremo da cada una se mantiene a 100 ºC, y el otro, a 0 ºC. Determine la razón total de flujo de calor en las dos barras. Ejemplo Solución Las barras están en paralelo no en serie. La corriente de calor total ahora es la suma de las corrientes en las dos barras. Escribimos las corrientes de calor para cada barra (100 0 ) acero = kacero A = 20,1 W L acero aislante (100 0 ) cobre = kcobre A = 77,0 W L cobre = + = 97,1 W acero cobre 07/06/2012 6/7/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 11

12 Ejercicios de aplicación Una habitación tiene una ventana de 3,0 m 2 de superficie con un vidrio de 1,0 cm de espesor. La temperatura del aire exterior es de 3,0 C. A qué temperatura podrá llegar la habitación si la calentamos con una estufa de W? K vidrio = 0,84 W/m C. Solución: T L = + T KA 2 ( 1000)( 1,0 10 ) T = C + 3,0 C ( 0,84)( 3,0) T1 = 4,0 C + 3,0 C = 7,0 C El ritmo metabólico de un alumno en un examen es de 100 kcal/h. Qué temperatura alcanzará un aula con 50 alumnos en un examen, si la temperatura del exterior es de 15 C y los alumnos liberan el 50% de su energía metabólica en forma de calor? El aula tiene 10 m 2 de ventanas con un espesor de 1,0 cm. K vidrio = 0,84 W/m C. Solución: 1 1 kcal 1h 4,186J = 2500 h 3 600s 1cal = W 2 ( 2 907)( 1,0 10 ) T = C + 15 C ( 0,84)( 10) T = 3,5 C + 15 C = 18,5 C 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 12

13 Convección de calor Cuando un fluido se calienta, sus partículas se mueven más rápido, se separan más unas de otras y el fluido se hace menos denso y sube. Cuando se enfría, se hace más denso y baja: se crean unas corrientes (verticales), las cuales son denominadas corrientes de convección. Estas corrientes tienden a distribuir el calor por toda la masa del fluido. En un fluido, la mayor parte del calor es transportado de una parte a otra del cuerpo por el mismo fluido. Se produce también desplazamiento de la masa de líquido o de gas, arrastrada por las corrientes convectivas. La Tasa de transmisión de calor por convección ( ) = ha T T 1 2 Donde A es el área superficial del cuerpo en contacto con el ambiente circundante y h es el coeficiente de transferencia por convección. 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 13

14 Convección y acondicionamiento del ambiente Corriente de convección del aire frío Corriente de convección del aire caliente 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 14

15 Se produce en medios no materiales, como espacio interplanetario, y hace posible, por ejemplo, que llegue a la Tierra el calor que despide el Sol. El calor es una forma de radiación como la luz pero de longitud de onda más larga, radiación infrarroja. Los cuerpos calientes emiten radiación electromagnética. Los objetos, además de emitir este tipo de radiación, también la absorben. La transferencia de calor por radiación se produce cuando un objeto más caliente emite radiación electromagnética y otro más frío la absorbe. Radiación Caliente Frío 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 15

16 Transmisión de calor: Radiación En la figura se aprecia un termograma. Detecta las radiaciones y el programa establece una relación entre la temperatura del emisor y la frecuencia de la radiación. La cantidad de calor por unidad de tiempo,, cedida por un cuerpo de área A, a temperatura absoluta T se expresa mediante la ley de Stefan- Boltzmann, según la cual: = eσ AT σ = 5, W/(m 2 K 4 ) e es el coeficiente de emisividad (entre 0 y 1) 4 Si un cuerpo a temperatura absoluta T está rodeado por material a temperatura T s, la corriente de calor neta del cuerpo a su entorno es: 4 4 ( ) = eσ A T T s 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 16

17 Termograma de una vivienda En la figura se muestra la foto de una casa y un termograma de la misma. Señale cuáles son los puntos de pérdida de calor y justifique su respuesta. Madera 0,12-0,14 Vidrio 0,80 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 17

18 Lana de vidrio 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 18

19 Casas pasivas 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 19

20 Ejercicios de aplicación Si el área superficial total del cuerpo humano es de 1,2 m 2 y la temperatura superficial es de 30 C, (a) calcule la razón total de radiación de energía del cuerpo. (b) Si el entorno está a 20 C, calcule la razón neta de pérdida de calor del cuerpo por radiación. Considere e = 1. Solución (a) El cuerpo emite: = eσat 8 ( )( )( ) 4 = 5, , 2 303,15 J / s = 575 W (b) La razón neta de transferencia de energía es: = eσa T s 4 4 ( T ) = 72 W 4 Un termómetro de oído mide la radiación emitida por el tímpano. En qué porcentaje aumenta la razón de radiación si la temperatura del tímpano aumenta de 37,00 C a 37,10 C? Solución eσat = eσat T = T , 25 = = 1, ,15 El aumento porcentual es de 0,13%. 4 07/06/2012 Y Milachay, S Tinoco, L Arrascue 20