FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, INGENIERÍA Y AGRIMENSURA ESCUELA DE FORMACIÓN BÁSICA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA FÍSICA II TERMODINÁMICA

Transcripción

1 FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, INGENIERÍA Y AGRIMENSURA ESCUELA DE FORMACIÓN BÁSICA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA FÍSICA II TERMODINÁMICA TRABAJO PRÁCTICO CONDUCCIÓN TÉRMICA Objetivos Determinar la conuctivia térmica e iferentes materiales 003

2 - Introucción sobre conucción el calor: Se enomina "conucción calorífica" al transporte e energía entre elementos e volumen próximos, en virtu e la iferencia e temperatura existente entre ellos. En virtu e esto existirá un flujo e calor e los puntos e mayor temperatura hacia los e menor temperatura. Las leyes físicas que rigen los fenómenos e conucción el calor se pueen generalizar a partir el estuio el flujo e calor lineal a través e una lámina perpenicularmente a sus caras. Dao un trozo e material en forma e lámina e espesor x y área A, y mantenieno una e las caras a temperatura θ y la otra a θ+ θ, entonces se mie la cantia e calor Q que fluye, en un tiempo τ, perpenicularmente a las caras. Si se repite esta experiencia para otras láminas pero e istinto x y áreas A, se emuestra que: Q/τ α A θ/ x sieno solo aproximaa cuano θ y x son finitos, pero resultan rigurosamente ciertas cuano θ y x tienen a cero. Si generalizamos para una lámina e espesor infinitesimal x, a través e la cual existe una iferencia e temperatura θ, e introucimos una constante e proporcionalia K, la ley funamental e la conucción el calor toma la forma: Q Q& θ = = KA τ x Se enomina Q & flujo e calor y θ/x graiente e temperatura. Se introuce el signo negativo para que el calor fluya en el sentio positivo e x mientras isminuye la temperatura. La constante K se enomina conuctivia térmica, llamánose conuctor térmico a toa sustancia e gran conuctivia, y aislaor térmico a toa sustancia e baja conuctivia. Aemás K epene e un cierto número e factores, y entre ellos e la temperatura, y por lo tanto istintos elementos e un material pueen poseer istinta conuctivia térmica, sin embargo, si la iferencia e temperatura es pequeña, se puee consierar que K es constante, lo que simplifica los cálculos. En uniaes el SI, K resulta, [K] = ( J. s - ) ( m) / (m) ( C) = J. (s. m. C) - Tomemos el ejemplo que trataremos en este práctico: Determinación e la conuctivia térmica e un material esconocio a partir e la construcción e una pare compuesta por os placas aislaas perimetralmente e áreas A y espesores D y D, una el material conocio P y otra el esconocio P en perfecto contacto térmico una con la otra. Esquema e las placas paralelas con istintas conuctiviaes Térmicas K y K.

3 Si colocamos el conjunto e P y P en contacto con una fuente térmica (interior e la cámara e ensayos que vamos a utilizar en nuestras experiencias) a una temperatura mayor que la temperatura ambiente, el calor fluirá ese el interior e la cámara hacia el exterior a través e las os placas. Como en las placas no existe ninguna fuente ni sumiero e calor, la cantia e calor por unia e tiempo que atraviesa las os placas ebe ser la misma. Por lo tanto cuano el sistema se estabilice, las temperaturas T,T y T 3 serán constantes, y para esa situación: Q& = A K y como T T como las os placas están en contacto térmico tenemos Q& = Q& K K A = K T T y = A = K one : T T Q& = A 3 3 se obtiene : T T T T K T 3 T que : De esta manera, conocia la conuctivia e un material (K ) se puee conocer la conuctivia e otro cualquiera (K ) a partir e esta simple isposición experimental, sabieno el espesor e caa placa y miieno la temperatura en tres puntos: cara inferior (T 3 ), entre las os placas (T ) y cara superior (T ) una vez alcanzao un régimen estacionario. Desarrollo el experimento:. Materiales necesarios:.. Materiales para el armao e las muestras e ensayo (Fig. ): Placas e poliestireno (blanco liso) e 5 cm x 5 cm x 0 mm, con una conuctivia térmica K = 0,6 W/m C. Placas e ensayo: cartón enyesao (gris claro, fibroso); espuma aislante (blanca); tablero e virutas; e 5 cm x 5 cm x 0 mm. 3 Placas circulares e aluminio para colocar en las entallauras e las probetas e material e ensayo, con una escotaura para la punta e la sona e meición e temperatura. Placas e aluminio e 5 cm x 5 cm x 0,3 mm, lacaas en negro por un lao. Placas e aluminio e 5 cm x 5 cm x 0,5 mm espesor, sin lacar. Pasta conuctora térmica Regla y calibre.

4 Figura : Materiales para el armao e las muestras e ensayo.. Instrumentos y materiales para el armao el equipo e ensayo (Fig. ): Figura : Instrumentos y montaje el equipo Cámara térmica e meición con caja aislaa térmicamente. Calentaor e placas, 8 cm x 0 cm, con os enchufes e 4 mm para introucirlos en el par e bornes e la cámara térmica e meición. Resistencia: aprox. 6,8 Ω. Tensión e alimentación máxima: V. Corriente y potencia con V:,8 A y W. Fuente e tensión V y,8 A. Meior y regulaor e temperatura. 3 Cables e conexión (C, C y C3). Meior igital e temperatura con os entraas para termocuplas. 3 Sonas e meición e temperatura (T, T y T3). Tapón e goma para el canal e entraa el termómetro o sona térmica (para meir la temperatura el aire en el interior e la cámara). Gancho e montaje para sacar las muestras e la abertura e la cámara térmica e meición.

5 . Detalles constructivos e la cámara térmica e meición (Fig. 3): La cámara térmica e meición se encuentra compuesta e los siguientes elementos:. Cámara térmica e meición con caja térmica aislante.. Canal para el termómetro o la sona térmica para meir la temperatura el aire en la cámara. 3. Abertura e la cámara con saliente recubierta e esponja e caucho para colocar las probetas e materiales a ensayar. 4. Canales para meiciones e temperaturas en las probetas e materiales e ensayo: 4..Meición en la superficie e la probeta fuera e la cámara. 4..Meición en el limite entre probetas. 4.3.Meición en la superficie e la probeta en el interior e la cámara térmica e meición. 5. Par e bornes interiores e 4 mm para conectar el calentaor e placas. Figura 3: Detalles constructivos e la cámara térmica e meición. 6. Par e bornes exteriores 4 mm para conectar la tensión e alimentación el calentaor e placas unio eléctricamente con los bornes interiores (5). 3. Precauciones: No someter la cámara e meición térmica y las placas e ensayo por encima e los 60 ºC. Tapar con el tapón e goma sin orificio el canal e entraa el termómetro o sona térmica para meir la temperatura el aire en el interior e la cámara. Antes e conectar los equipos a la re e 0V, verificar que toas las conexiones estén correctas No moificar el esquema e conexiones sin consultar a los ocentes. 4. Preparación e las muestras (Fig. 4) Una muestra se compone e os placas P y P. La placa superior P es e poliestireno e conuctivia térmica conocia K = 0,6 W/m C sirve como placa meiora el flujo térmico. Con el fin e garantizar una meición exacta e la temperatura e la superficie e contacto entre P y P se separan ambas placas meiante una placa e aluminio sin lacar e un espesor e 0,5 mm (P Al 0,5) y en las superficies que quean libres se coloca una placa e aluminio Figura 4: Muestra e ensayo lacao negro en una e sus caras e un espesor e 0,3 mm (P Al 0,3), con su lao lacao hacia fuera (Para tener una mejor cesión y absorción el calor, estas chapas han sio barnizaas en negro por el lao exterior). La unión e las iferentes placas se efectúa meiante pasta conuctora térmica, con la cual se recubren P y P por ambos laos ejano libre e pasta las ranuras para poer introucir las sonas

6 e temperatura. Con el fin e que las sonas térmicas introucias en las ranuras e P y P mian la temperatura real e las placas e aluminio, en P y P se colocan placas e contacto circulares e aluminio que establecen un buen contacto térmico con las placas e aluminio e 5 cm x 5 cm x 0,5 mm y e 5 cm x 5 cm x 0,3 mm respectivamente. Como las placas e aluminio e 5 cm x 5 cm x 0,5 mm y e 5 cm x 5 cm x 0,3 mm poseen una conuctivia térmica 000 veces mejor que las muestras e material e ensayo, éstas pueen ser consieraas como superficie equitermal, cuya temperatura coincie exactamente con la temperatura e la superficie e las muestras e material. Con el fin e tener la certeza e que el flujo térmico atraviesa e forma homogénea a las placas e la probeta en las meiciones que se efectúan se emplea un calentaor e placas. 4. Montaje el equipo y experiencia: ( Ver Figura ):. Conectar el calentaor e placas en los bornes e 4 mm interiores e la cámara térmica e meición. La alimentación suministraa al calentaor e placas es provista por la fuente e tensión e V y,8 A conectánose una e sus salias, por meio el cable e conexión (C), a un borne exterior (B) e la cámara e meición térmica (no importa la polaria el borne ya que el calentaor e placas es alimentao con corriente alterna).. La otra salia e la fuente e tensión se conecta a la entraa el meior y regulaor e temperatura por meio el cable e conexión C; para luego conectarse la salia el meior y regulaor e temperatura al restante borne exterior (B) e la cámara e meición térmica por meio el cable e conexión (C3). 3. Se recomiena en este punto, verificar el normal comportamiento el regulaor e temperatura, utilizano la sona e meición en una zona cercana a la placa calefactora, y eligieno una temperatura e control unos pocos graos por encima e la temperatura ambiente. 4. Colocar la muestra e ensayo sobre la abertura e la cámara e meición. Introucir las 3 termocuplas por los orificios laterales. Conectar T y T al meior igital e temperatura e múltiples entraas. Conectar T 3 al meior y regulaor e temperatura. 5. La función el meior y regulaor e temperatura es a partir e la meición e la temperatura (T 3 ) el área e la muestra que se encuentra en el interior e la cámara e meición térmica, regular la temperatura en el interior e la cámara, controlano la alimentación el calentaor e placas. La temperatura el interior e la cámara e meición térmica nunca eberá ser superior a los 60 ºC. Debio a la alta conuctivia térmica e la elgaa placa e aluminio que posee la muestra, puee consierarse que la temperatura T 3 es la que posee la superficie inferior el material e ensayo. 6. Como la placa e aluminio que separa a las placas e poliestireno (P ) ( conuctivia térmica K = 0,6 W/m C) y ensayo (P ) puee consierarse como superficie equitermal, la temperatura T e la superficie e contacto entre estas os placas es meia por meio e la sona e meición e temperatura (T ) 7. Debio a la alta conuctivia térmica e la elgaa placa e aluminio que posee la muestra, puee consierarse que la temperatura T es la que posee la superficie superior e la placa e poliestireno, sieno esta meia por meio e la sona e meición e temperatura (T). 8. Verificar que toas la sonas e temperatura estén miieno correctamente. 9. Una vez que se le io potencia a la placa calefactora, con el valor e regulación e temperatura elegio, comenzar a tomar valores e T, T y T 3 caa 3 minutos urante alreeor e 90 minutos. 0. Realizar paralelamente una gráfica e Temperatura vs. tiempo con los valores arrojaos e T, T y T 3.. Finalizar las meiciones espués e que las 3 temperaturas lleguen a valores estables.. Con los valores e T, T y T 3 calcular con sus corresponientes errores el valor e K y el flujo e calor a través e las placas. 3. Qué puee ecir sobre el comportamiento en régimen estacionario el sistema en estuio? Las temperaturas se mantuvieron estables? De qué epene? Cómo mejoraría las meiciones?.