DPTO. FISICA APLICADA II - ETSIE

Transcripción

1 Práctica 2 Aislamiento térmico Parte I. Transmisión del calor a través de paredes simples Descripción del montaje experimental El montaje experimental consta de los siguientes elementos (véase fig. 1): (a) Casa térmica n 1, con cuatro paredes de 0,21 0,21m 2, de los siguientes materiales: Pared 1: poliestireno, de 18 mm de espesor. Pared 2: contrachapado de madera, de 9,6 mm de espesor. Pared 3: metacrilato, de 9,5 mm de espesor. Pared 4: vidrio, de 10mm de espesor. (b) Siete termopares (5 en el interior de la casa y 2 en el exterior). (c) Sistema de adquisición de datos. (d) Ordenador. (e) Cinta adhesiva. La casa térmica se calienta mediante una bombilla instalada en su interior y oculta por una carcasa metálica negra que la rodea completamente. Dicha carcasa sirve para apantallar la luz visible emitida por la bombilla y convertirla en calor. La temperatura en la cara interior de cada pared se mide mediante un termopar. La tensión eléctrica generada en cada termopar se transmite al sistema de adquisición de datos, y se traduce por el ordenador en la temperatura correspondiente. Las temperaturas del aire en el interior y en el exterior de la casa se miden con otros dos termopares. Por último, las temperaturas de las caras exteriores de las cuatro paredes se miden con un mismo termopar, que se fija sucesivamente mediante cinta adhesiva en el centro de cada cara. 1

2 PRÁCTICA 2. AISLAMIENTO TÉRMICO 2 Objetivos (a) casa térmica (e) cinta adhesiva 4 (c) sistema de adquisición de datos (d) ordenador Figura 2.1: Montaje experimental de la práctica. (b) termopar Evaluar la potencia calorífica Q que se pierde en el estado estacionario a través de cada pared. Dicha potencia puede obtenerse a partir del intercambio de calor entre la pared y el aire exterior, dado por Q = α E S(T PE T AE ), (2.1) donde α E = 8,1W/(m 2 K) es el coeficiente de convección o de peĺıcula externo, S es la superficie de la pared (S = 0,21 0,21m 2 ) y T PE y T AE son las temperaturas de la cara exterior de la pared y del aire exterior, respectivamente. Determinar la resistencia térmica R de cada pared usando la ley de Fourier, R = T PI T PE, (2.2) Q donde T PI es la temperatura de la cara interior de la pared. Calcular la conductividad térmica k del material de cada pared, k = d RS, (2.3) donde d es el espesor de la pared.

3 PRÁCTICA 2. AISLAMIENTO TÉRMICO 3 Obtener, para cada pared, el coeficiente α I de convección o de peĺıcula interno, α I = donde T AI es la temperatura del aire en el interior de la casa. Desarrollo de la experiencia Q S(T AI T PI ), (2.4) 1. En la pantalla del ordenador se muestran dos ventanas. En una de ellas se indican las temperaturas registradas por los siete termopares que se usan durante la práctica. Los termopares montados sobre las caras interiores se denotan con el nombre del material de dicha pared (vidrio, madera, metacrilato, poliestireno). Los tres restantes se identifican mediante las leyendas aire exterior, aire interior y pared exterior. En la otra ventana se muestra la gráfica de la evolución en el tiempo de la temperatura registrada por el termopar etiquetado como pared exterior. 2. Fije con cinta adhesiva en el centro de la cara exterior de la pared 1 (poliestireno) la soldadura del termopar que lleva la etiqueta pared exterior. Cuando realice esta operación, manipule con cuidado la soldadura del termopar, para evitar que se rompa. 3. Aguarde a que la temperatura del termopar se iguale con la de la cara exterior de la pared. Para ello, observe cómo evoluciona en el tiempo la temperatura del termopar en la gráfica. Cuando la curva trazada pase a ser aproximadamente una recta horizontal podrá asumirse que la temperatura registrada por el termopar coincide con la de la cara exterior de la pared exterior, ya que las temperaturas de la casa son estacionarias. 4. Anote las temperaturas de las caras interna y externa, T PI y T PE, de la pared 1 en la hoja de medidas que se adjunta al final del boletín. Anote también las temperaturas del aire interior y exterior, T AI y T AE. 5. Repita sucesivamente las operaciones anteriores con las otras paredes, y traslade todas las temperaturas registradas a la hoja de medidas. 6. Calcule la potencia calorífica Q que se escapa por cada una de las paredes utilizando la ecuación (2.1), así como la potencia total que se pierde a través del conjunto de las cuatro. Traslade los resultados obtenidos a la hoja de medidas y expréselos en el SI. La potencia total perdida por las cuatro paredes no puede ser superior a la potencia eléctrica consumida en la bombilla calefactora (60 W), pues se violaría la conservación de la energía. 7. Determine la resistencia térmica R de cada una de las paredes utilizando la ecuación (2.2) y anote los resultados obtenidos en la hoja de medidas. 8. Obtenga la conductividad térmica k del material de cada pared utilizando la ecuación (2.3) y copie los resultados obtenidos a la hoja de medidas. Coteje los valores obtenidos con los que se encuentran en la literatura técnica: Poliestireno: 0,020 0,046 W/mK. Madera de pino: 0,14 W/mK.

4 PRÁCTICA 2. AISLAMIENTO TÉRMICO 4 Metacrilato: 0,19 W/mK. Vidrio: 0,7 1,0 W/mK. 9. Determine, para cada pared, el coeficiente α I de convección o de peĺıcula interno usando la ecuación (2.4). Traslade los valores a la hoja de medidas. 10. Avise al profesor cuando concluya esta parte. Parte II. Transmisión del calor a través de paredes compuestas Descripción del montaje experimental El montaje experimental consta de los siguientes elementos (véase fig. 1): (a) Casa térmica n 2, con cuatro paredes compuestas de 0,21 0,21m 2, constituidas por los siguientes materiales: Pared 1: dos tableros de contrachapado de 4,8 mm de espesor cada uno, separados por una capa de lana de roca de 18mm de grosor. Pared 2: dos tableros de contrachapado de 4,8 mm de espesor cada uno, separados por una capa de poliestireno de 18mm de grosor. Pared 3: dos tableros de contrachapado de 4,8 mm de espesor cada uno, separados por una cámara de aire de 18mm de grosor. Pared 4: vidrio doble (dos vidrios de 5mm de espesor cada uno, con una cámara intermedia de aire). (b) Siete termopares (5 en el interior de la casa y 2 en el exterior). (c) Sistema de adquisición de datos. (d) Ordenador. (e) Cinta adhesiva. La configuración y funcionamiento de este montaje son similares a los utilizados en la parte I. El flujo de calor a través de cada pared tiene lugar, aproximadamente, en dirección perpendicular a su superficie. Por tanto, desde el punto de vista térmico, las capas de los distintos materiales que constituyen las paredes están asociadas en serie. Objetivos Evaluar la potencia calorífica Q que se pierde en el estado estacionario a través de cada pared. Dicha potencia puede obtenerse a partir del intercambio de calor entre la pared y el aire exterior, mediante la ecuación (2.1).

5 PRÁCTICA 2. AISLAMIENTO TÉRMICO 5 Determinar la resistencia térmica R total de cada pared a partir de la ley de Fourier (ecuación (2.2)). Verificar la ley de asociación en serie de resistencias térmicas en una pared compuesta, R asoc = R 1 +R 2 +R 3, (2.5) donde R 1, R 2 y R 3 son las resistencias térmicas de cada una de las capas que forman la pared. Obtener la conductividad térmica del material que constituye una de las capas en una pared compuesta. Desarrollo de la experiencia 1. En la pantalla del ordenador se muestran dos ventanas. En una de ellas se indican las temperaturas registradas por los siete termopares que se usan durante la práctica. Los termopares montados sobre las caras interiores se denotan con los nombres de los materiales que forman las capas de cada pared. Los tres restantes se identifican mediante las leyendas aire exterior, aire interior y pared exterior. En la otra ventana se muestra la gráfica de la evolución en el tiempo de la temperatura registrada por el termopar etiquetado como pared exterior. 2. Fije con cinta adhesiva en el centro de la cara exterior de la pared 1 (madera-lanamadera) la soldadura del termopar que lleva la etiqueta pared exterior. Cuando realice esta operación, manipule con cuidado la soldadura del termopar, para evitar que se rompa. 3. Aguarde a que la temperatura del termopar se iguale con la de la cara exterior de la pared. Para ello, observe cómo evoluciona en el tiempo la temperatura del termopar en la gráfica. Cuando la curva trazada pase a ser aproximadamente una recta horizontal podrá asumirse que la temperatura registrada por el termopar coincide con la de la pared exterior, ya que las temperaturas de la casa son estacionarias. 4. Anote las temperaturas de las caras interna y externa, T PI y T PE, de la pared 1 en la hoja de medidas. Anote también las temperaturas del aire interior y exterior, T AI y T AE. 5. Repita sucesivamente las operaciones anteriores con las otras paredes, y traslade todas las temperaturas registradas a la hoja de medidas. 6. Calcule la potencia calorífica Q que se escapa por cada una de las paredes utilizando la ecuación (2.1), así como la potencia total que se pierde a través del conjunto de las cuatro. Traslade los resultados obtenidos a la hoja de medidas y expréselos en el SI. La potencia total perdida por las cuatro paredes no puede ser superior a la potencia eléctrica consumida en la bombilla calefactora (60 W), pues se violaría la conservación de la energía. 7. Determine la resistencia térmica R de cada una de las paredes utilizando la ecuación (2.2) y anote los resultados obtenidos en la hoja de medidas.

6 PRÁCTICA 2. AISLAMIENTO TÉRMICO 6 8. La capa de poliestireno usada en la pared 2 es idéntica a la de la pared 1 de la casa n 1. Por tanto, ambas tienen la misma resistencia térmica. En cambio, cada capa de madera de la pared 2 tienen la misma superficie pero la mitad de grosor que la usada en la pared 2 de la casa n 1. En consecuencia, las dos capa de madera tienen también, conjuntamente, la misma resistencia térmica que la pared 2 de la casa n 1. Determine, aplicando la ley de asociación de resistencias en serie, la resistencia térmica de la pared madera-poliestireno-madera como suma de las resistencias térmicas de las paredes 1 y 2 de la casa n 1, y traslade el resultado a la tabla de medidas. Compare este resultado con el calculado en el punto anterior. 9. Determine, para la pared madera-lana-madera, la resistencia térmica de la capa de lana de roca, R lana, a partir de la resistencia total de la pared ya medida. Use para ello la ecuación (2.5) y tenga en cuenta que, nuevamente, que cada una de las capas de madera de forman esta pared tiene la misma superficie pero la mitad de grosor que la usada en la pared 2 de la casa n 1. Traslade el valor de la resistencia térmica de la capa de lana de roca a la hoja de medidas. 10. Calcule la conductividad térmica de la lana de roca empleando la ecuación (2.3). Escriba el resultado en la hoja de medidas. Coteje el valor obtenido con el que se encuentra en la literatura técnica, k lana 0,04W/mK.

7 Apellidos: Nombre: Grupo de prácticas: Fecha de realización: Práctica 2: Aislamiento térmico Medidas y resultados

8 Parte I. Transmisión del calor a través de paredes simples Pared 1: poliestireno T AE ( C) T PE ( C) T PI ( C) T AI ( C) Pared 2: madera Pared 3: metacrilato Pared 4: vidrio Calcule las siguientes magnitudes y expréselas con sus unidades en el SI: Potencia calorífica a través de la Pared 1: Q 1 = Potencia calorífica a través de la Pared 2: Q 2 = Potencia calorífica a través de la Pared 3: Q 3 = Potencia calorífica a través de la Pared 4: Q 4 = Potencia calorífica a través de las cuatro paredes: Q = Resistencia térmica de la Pared 1: R 1 = Resistencia térmica de la Pared 2: R 2 = Resistencia térmica de la Pared 3: R 3 = Resistencia térmica de la Pared 4: R 4 = Conductividad térmica del poliestireno: k 1 = Conductividad térmica de la madera: k 2 = Conductividad térmica del metacrilato: k 3 =

9 PRÁCTICA 2. AISLAMIENTO TÉRMICO 9 Conductividad térmica del vidrio: k 4 = Coeficiente de convección interno en la Pared 1: α I = Coeficiente de convección interno en la Pared 2: α I = Coeficiente de convección interno en la Pared 3: α I = Coeficiente de convección interno en la Pared 4: α I =

10 Parte II. Transmisión del calor a través de paredes compuestas Pared 1: madera-lana-madera Pared 2: madera-poliestireno-madera Pared 3: madera-aire-madera Pared 4: vidrio-aire-vidrio T AE ( C) T PE ( C) T PI ( C) T AI ( C) Calcule las siguientes magnitudes y expréselas con sus unidades en el SI: Potencia calorífica a través de la pared 1: Q 1 = Potencia calorífica a través de la pared 2: Q 2 = Potencia calorífica a través de la pared 3: Q 3 = Potencia calorífica a través de la pared 4: Q 4 = Potencia calorífica a través de las cuatro paredes: Q = Resistencia térmica de la pared 1: R 1 = Resistencia térmica de la pared 2: R 2 = Resistencia térmica de la pared 3: R 3 = Resistencia térmica de la pared 4: R 4 = Resistencia térmica de la pared 2, a partir de la ley de asociación de resistencias: R 2(asoc.) = Resistencia térmica de la capa de lana de roca, a partir de la ley de asociación de resistencias: R lana = Conductividad térmica de la lana de roca: k lana =

11 Hoja para cálculos