Práctica 5. Aislamiento térmico Objetivos conceptuales Conceptos básicos

Transcripción

1 Práctica 5 Aislamiento térmico 5.1. Objetivos conceptuales Estudiar las propiedades aislantes de paredes de distintos materiales: determinar la conductividad térmica de cada material y la resistencia térmica de cada pared. Evaluar la potencia calorífica perdida a través de dichas paredes por conducción y convección en unas condiciones determinadas de trabajo Conceptos básicos El calor es una transferencia de energía que tiene lugar entre dos cuerpos o, en general, entre dos puntos, cuando sus temperaturas son diferentes. Tradicionalmente se suele decir que la transmisión del calor puede tener lugar mediante tres mecanismos distintos: conducción, convección y radiación 1. En la práctica que realizaremos están presentes los tres mecanismos de transmisión del calor, pero dados los objetivos que nos proponemos nuestra atención se centrará en los de conducción y convección. La transmisión del calor por conducción se produce por la migración de electrones libres (en metales) y/o propagación de vibraciones mecánicas, dentro de los límites de un cuerpo o a través de la superficie de contacto entre dos cuerpos y sin que se produzca transporte de materia. 1 Aun cuando esta manera de expresarlo no es del todo correcta (lo que se transmite o intercambia no es calor sino energía), la costumbre ha hecho que en muchos libros de texto se haya impuesto la expresión mecanismos de transmisión del calor, que nosotros vamos a utilizar también en esta práctica pero entendiendo que es una expresión convencional. 1

2 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 2 Figura 5.1: Transmisión de calor a través de una pared plana en estado estacionario. La transmisión del calor por convección tiene lugar en el seno de un fluido, por desplazamiento de masa fluida (y, por tanto, de su energía interna) de una región a otra del espacio. Llamamos estado estacionario a aquél en que la temperatura de cada punto del sistema en estudio no varía con el tiempo. Consideremos una de las paredes de un recinto, que separa el aire en el interior, a temperatura T AI, del aire del exterior, más frío, a temperatura T AE. La pared tendrá diferente temperatura en sus caras exterior (T P E ) e interior (T P I ). El calor se transmite por conducción de la cara más caliente a la más fría. En el estado estacionario, la potencia calorífica Q (calor por unidad de tiempo) que atraviesa la superficie S es proporcional a la diferencia de temperatura entre sus caras: Q = T P I T P E. (5.1) R El factor de proporcionalidad R es la llamada resistencia térmica de la pared, y su expresión es la siguiente: R = d k S, (5.2) donde d es el grosor de la pared y k es el coeficiente de conductividad térmica (una constante característica del material de que esté hecha la pared). La transmisión de calor de la pared al aire exterior (o del aire interior a la pared) tiene lugar por un fenómeno combinado de conducción entre la pared y las capas de aire más próximas a ella, y de convección en el aire.

3 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 3 Los dos efectos pueden incluirse en un solo coeficiente llamado coeficiente de convección o de película y escribir la potencia calorífica Q que pasa de la pared al aire exterior como Q = α E S(T P E T AE ), (5.3) donde α E es el coeficiente de convección o de película. Análogamente, la potencia calorífica que pasa del aire interior a la pared será Q = α I S(T AI T P I ), (5.4) donde α I es el coeficiente de convección o de película correspondiente. El coeficiente de convección depende de las características del fluido, de la forma y estado de la superficie y de la posición relativa entre la pared y el fluido (si la superficie es vertical, horizontal mirando hacia arriba, horizontal mirando hacia abajo, etc.). También depende de la diferencia de temperaturas entre el aire y la pared, aunque en buena aproximación puede considerarse constante. En el estado estacionario, dado que la temperatura en cada punto no cambia con el tiempo, la potencia calorífica Q que pasa del aire interior a la pared [ec. (5.4)] es la misma que atraviesa la pared [ec. (5.1)], y también la misma que pasa de la pared al aire exterior [ec. (5.3)]. A partir de la ec. (5.3) puede determinarse la potencia calorífica Q a través de la superficie S, teniendo en cuenta que el valor de α E es conocido e igual a 8,1 W/m 2 K. A partir de la ec. (5.1) puede calcularse la resistencia térmica R, y empleando este valor en la ec. (5.2) se puede hallar el coeficiente de conductividad térmica k. Usando la ec. (5.4) calcularemos el coeficiente de convección para el aire interior, α I Descripción del montaje experimental Disponemos de dos modelos de casa (casa térmica), cada uno de ellos con techo y suelo bien aislados térmicamente y cuatro paredes de distintos materiales. El alumno empleará una sola de las casas térmicas, bien la 1 o la 2, cuyas paredes son de los materiales y las dimensiones que siguen. CASA 1: madera de 1 cm de espesor. vidrio simple de 6 mm de espesor.

4 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 4 Figura 5.2: Casa térmica. vidrio doble climalit (dos capas de vidrio de 6 mm de espesor y aire entre ellas). poliestireno de 1,8 cm de espesor. Superficie de cada una de las paredes: 0,20 0,20 m 2. CASA 2: madera de 2 cm de espesor. vidrio simple de 5 mm de espesor. vidrio doble (dos capas de vidrio de 5 mm de espesor y aire entre ellas). poliestireno de 1,8 cm de espesor. Superficie de cada una de las paredes: 0,21 0,21 m 2. Queremos determinar en esta práctica las propiedades aislantes de las paredes citadas. A las paredes de ambas casas se les pueden superponer por el exterior sendas placas de poliestireno de 1,8 cm de espesor, como aislamiento adicional. Para calentar las casas térmicas tenemos en el interior de la casa 1 una resistencia eléctrica, con un ventilador situado justo debajo para lograr un calentamiento homogéneo. En la casa 2 tenemos una bombilla colocada en

5 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 5 su interior, oculta por una carcasa metálica que la rodea completamente, y que sirve para apantallar la bombilla y homogeneizar el calentamiento. La temperatura en la cara interior de cada pared se mide con una sonda termopar (una por pared). Ésta consiste en una soldadura de dos metales distintos en la que se induce una corriente eléctrica que es función de la temperatura (la base del funcionamiento es el llamado efecto Seebeck). Esta corriente se transmite a un módulo electrónico que la traduce en un valor de temperatura. La sonda termopar tiene una respuesta muy rápida y sensible a los cambios de temperatura. Aparte de las cuatro sondas de las caras interiores de las paredes, que van rotuladas con los números 1, 2, 3 y 4, se dispone de una quinta sonda termopar en el exterior de la casa (sonda Pared Exterior) que permite ir midiendo la temperatura en las caras exteriores de las paredes. Utilizaremos además otras dos sondas termopar para medir la temperatura del aire en el exterior (sonda Aire Exterior) y en el interior de la casa (sonda Aire interior). Es preciso llamar la atención acerca de la fragilidad de las sondas termopar y de los dispositivos electrónicos a los que van conectadas: deben manejarse con atención y cuidado. Las temperaturas medidas por las sondas termopar pueden leerse, a través de un sistema de adquisición de datos conveniente, en la pantalla del ordenador de que dispone la práctica. El montaje experimental se completa con un wattímetro, que nos permitirá obtener la potencia media consumida, y un conmutador para seleccionar la casa térmica cuyo consumo será medido por el wattímetro Desarrollo de la experiencia La práctica consta de tres partes diferenciadas: En primer lugar, se determinará la resistencia térmica de cada una de las paredes de la casa térmica y las conductividades térmicas de los materiales de que están constituidas. A continuación se determinará la potencia consumida para calentar la casa y se comparará con la perdida a través de sus paredes. Finalmente, en la tercera parte se estudiará la influencia de un aislamiento adicional en los valores de la resistencia térmica de las paredes.

6 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 6 Determinación de conductividades y resistencias térmicas Partiremos de una configuración inicial que consta de cuatro paredes de distinto material y espesor, como ya se ha comentado (ver páginas 3 y 4). Es necesario esperar a que se establezca el estado estacionario antes de llevar a cabo la determinación de las conductividades y resistencias térmicas (sólo así se podrán utilizar las fórmulas del apartado 5.2). Por eso, el alumno se encontrará la casa térmica conectada y los cuatro termopares del interior ya colocados, con el fin de ahorrar tiempo. Se actúa del siguiente modo: 1. Selecciona en el conmutador la casa térmica que vas a emplear. Gira el conmutador a la posición 1 (casa térmica 1) si te encuentras en el primer turno de prácticas, o a la posición 2 (casa térmica 2) si te encuentras en el segundo turno de prácticas. 2. Enciende el wattímetro con el fin de que se vaya calentando. Haremos uso de él más tarde. 3. Pon en marcha el ordenador y el programa de lectura de las temperaturas. 4. Para comprobar si se ha establecido el estado estacionario requerido, anota la temperatura de la cara interior de una de las paredes (por ejemplo, la de madera) durante 5 minutos en intervalos de 1 minuto, o bien representa la temperatura en función del tiempo en la pantalla del ordenador (pide ayuda a tu profesor para ello). Cuando las temperaturas anotadas no varíen en el tiempo o la curva trazada pase a ser una recta horizontal podrá asumirse que se ha alcanzado el estado estacionario. 5. Elige una de las paredes (por ejemplo, la 1), y fija externamente el extremo del termopar Pared Exterior, utilizando cinta adhesiva para asegurar bien la sonda. Anota la temperatura de la cara interna (termopar 1: madera) y de la externa (termopar Pared Exterior). Hazlo lo más simultáneamente posible para que las condiciones de medida sean casi idénticas, porque ambas sondas son muy sensibles. 6. Repite la operación con cada una de las paredes, secuencialmente (2, 3 y 4) y sin perder tiempo. Tabula ordenadamente todos los resultados. 7. Cuando termines con las paredes, anota la temperatura del aire interior (termopar Aire Interior) y exterior (termopar Aire Exterior).

7 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 7 Figura 5.3: Wattímetro. 8. Una vez que ya tienes anotadas todas las temperaturas, y con el objeto de ganar tiempo, pasa directamente a la siguiente sección de la práctica. Más adelante tendrás ocasión de hacer los cálculos correspondientes a esta parte. Potencia calorífica consumida y perdida a través de las paredes Usaremos ahora el wattímetro para determinar la potencia media consumida para calentar la casa. 1. Prepara el wattímetro para realizar la medida: asegúrate de que el selector 1 (fig. 5.3) está en la posición 10 2 s y los cuatro indicadores 2 están apagados. En caso de que alguno estuviera encendido, gira el selector correspondiente en el sentido señalado por la flecha que hay junto al indicador hasta conseguir que se apague. Coloca la palanca 3 en posición Ws y la 4 en Reset. 2. A continuación realiza la medida de la energía consumida durante 3 minutos. Para ello, coloca la palanca 4 en posición Run. Cronometra desde ese instante 3 minutos, al cabo de los cuales gira la palanca 4 a la posición Stop. Anota la lectura del display, que mostrará la energía consumida durante el tiempo de medida, expresada en julios (W s).

8 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 8 Influencia de un aislamiento adicional Para estudiar la influencia de un aislamiento adicional en los valores de la resistencia térmica y gasto energético, procederemos a añadir a las paredes de la configuración de partida sendas placas de poliestireno de 1,8 cm de espesor, que encajaremos en los huecos al efecto y aseguraremos con los soportes de que dispone la casa térmica. Es evidente que el aislamiento adicional implica un cambio en las condiciones, que se traduce en que la casa térmica evoluciona hacia un nuevo estado estacionario: antes de tomar medidas válidas para la estimación de conductividades y resistencias térmicas hemos de aguardar a que se alcance dicho estado estacionario. El procedimiento, por tanto, es similar al de la sección anterior: 1. Anota la temperatura de la cara interior de una de las paredes (por ejemplo, madera) cada 5 minutos, o bien representa la temperatura en función del tiempo en la pantalla del ordenador (pide ayuda a tu profesor para ello). Espera hasta verificar que el estado estacionario prácticamente se ha alcanzado. Calcula ahora... La resistencia térmica para cada una de las cuatro paredes de la casa. El coeficiente de conductividad térmica para la madera (pared 1), el vidrio (pared 2) y el poliestireno (pared 4). Cotéjalos con los valores que aparecen en la bibliografía: Poliestireno: 0,020 0,046 W/mK. Madera de pino: 0,14 W/mK. Vidrio: 0,7 1,0 W/mK. La potencia calorífica total (en watios) que se pierde a través de las cuatro paredes de la casa, y la potencia consumida en calentarla a partir de la medida realizada con el wattímetro. Contesta ahora... Cuestión 1: Por qué las medidas se realizan en estado estacionario? Fuera del estado estacionario, qué ocurre con el calor que pasa del interior a las paredes de la casa? Y con la temperatura? Cuestión 2: De acuerdo con las resistencias térmicas calculadas, qué pared es la más aislante y cuál es la más conductora? Qué paredes tienen una

9 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 9 temperatura exterior mayor, las más aislantes o las menos aislantes? Podrías inferir de ello una regla práctica para saber por dónde se está produciendo una fuga de calor (es decir, dónde existe un mal aislamiento) en una casa real? Cambia la regla práctica si nos referimos a las temperaturas interiores? Cuestión 3: Compara la resistencia térmica de la pared de vidrio doble con la de la pared de vidrio simple. Es la primera el doble de la segunda? Por qué? Cuestión 4: Compara la potencia calorífica perdida a través de las paredes con la potencia media usada para calentar la casa. Son iguales? A qué es debida la diferencia? Cuestión 5: Calcula el coeficiente de convección en el interior α I, y compáralo con el valor conocido de α E. Cuál de ellos es mayor? Con qué relacionarías este hecho? 2. Una vez alcanzado el nuevo estado estacionario, procede exactamente como en los apartados 5 a 7 del apartado Determinación de conductividades y resistencias térmicas, midiendo las temperaturas externas e internas de las paredes, y las temperaturas interior y exterior del aire. Muy importante... Cuando acabes de anotar todas las lecturas de temperatura correspondientes a esta parte de la práctica, RETIRA LAS PLACAS ADICIONALES DE AISLANTE. NO MODIFIQUES LA POSICIÓN DEL CONMUTADOR NI DESENCHUFES NINGUNO DE LOS APARATOS ELÉCTRICOS DE LA PRÁCTICA. APAGA EL WATTÍMETRO MEDIANTE SU INTERRUPTOR. APAGA EL ORDENADOR. Calcula ahora... Las resistencias térmicas para cada pared con aislamiento adicional de poliestireno.

10 PRÁCTICA 5. AISLAMIENTO TÉRMICO 10 Contesta ahora... Cuestión 6: Cuando se añaden las placas extra de aislante, qué esperamos que ocurra con las temperaturas interiores de las paredes? Por qué? Corroboran tus datos esta suposición? Cuestión 7: Se cumple la regla de la suma de las resistencias térmicas en asociaciones de paredes en serie, como es el caso de las de nuestra experiencia?