Termodinámica para ingenieros PUCP Cap. 3 TRANSFERENCIA de CALOR INTRODUCCIÓN Este es un Capítulo básico en la Termodinámica, pero en este libro solamente conoceremos los conceptos y no aplicaremos las fórmulas y ecuaciones que corresponden al curso : «Transferencia de Calor» que dura un ciclo entero en la Facultad y es llevado por los estudiantes de Ing. Mecánica. La idea aquí es que conozcan sólo literalmente las formas de transferencia de calor y puedan diferenciarlas. En realidad TODOS los procesos de calor no involucran los distintos tipos de transferencia de calor independientemente (Conducción, Convección y Radiación), sino que cualquier tipo de transferencia es la combinación de los tres tipos en distintas proporciones, lo que hace de este concepto todavía mas difícil de calcular y evaluar. Finalmente tenemos que entender que cualquier pérdida decalor es también «pérdida de dinero», pues el CALOR CUESTA!!; por lo tanto tratemos de ahorrarlo y de diseñar nuestros equipos lo más adiabáticos (aislados térmicamente) que podamos para aumentar los rendimientos de los equipos y también nuestras ganancias. CALOR = DINERO Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 1
3.1 Transferencia de Calor El flujo de Calor, se presenta cuando existe una diferencia de temperatura T = T 2 - T 1 en cualquier proceso o sistema; y se presentan en 2 formas básicas : Conducción y Radiación, una tercera es la Convección, que es la Conducción con desplazamiento de masa. En realidad el cálculo es más complejo pues cada proceso de transferencia de calor involucra estas tres formas en forma combinada, es decir un proceso puede tener por ejemplo porcentajes diferentes de conducción, de convección y de radiación, etc. y cada uno de ellos se calcula con su propia teoría. Este capítulo es sólo de conceptos muy básicos, solo con el propósito de recordarles lo que estudiamos en el colegio. Cómo calienta un fósforo? El calor total (fósforo mas madera) puede ser alrededor de 2 kj, solo el fósforo puede ser alrededor de 1 kj Conducción Convección Radiación Al contacto con cualquier material, en este caso el fósforo que calienta una barra de metal. El calor es elevado por el aire hacia arriba (en realidad también existe radiación) No es necesario el aire, el calor atraviesa cualquier material. (Aquí también hay convección si el aire soplara en esa dirección) La transmisión de calor en este caso es por : a) Conducción b) Convección c) Radiación d) Conducción + Radiación e) Conducción + Convección f) Convección + Radiación g) Conducción + Convección + Radiación Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 2
Termodinámica para ingenieros PUCP 3.2 Conducción Conducción es el proceso en el cual el calor es transmitido de una molécula adyacente hacia la otra sin desplazamiento de masa, pasando de las moléculas más calientes a las moléculas más frías adyacentes. Todos los metales son buenos conductores. El agua es mal conductor. El aire es un pésimo conductor. En la tabla se puede observar los datos de la conductividad según el tipo de material. EXPERIMENTO EN CLASE Cuál es el material de mayor conductividad térmica? Agarra un cuaderno, la mesa, la silla o las patas de la mesa de metal, Cual está más frío?..por qué? El calor pasa directamente desde la fuente de alta temperatura (lengua) hacia la de menos temperatura (helado). En la mayoría de los termómetros tiene que haber contacto directo del instrumento con la fuente de calor. Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 3
3.3 Convección Es la transferencia de calor entre un fluido en movimiento (líquido o gas) y una superficie. Los tipos de convección son: 1. Natural o libre: cuando el fluido se mueve debido a la acción del campo gravitacional y por la diferencia de volúmenes específicos (densidad) resultante de los cambios de temperatura original. El agua ampieza a moverse antes de hervir. Tiene que haber contacto directo entre dos materiales, en estos caso el agua con la resistencia eléctrica. - El viento se produce por el cambio de densidad del aire De dónde a dónde sopla el viento en el día? De noche? En las termas solares el agua sube al tanque sin bomba, solo por cambio de densidad, es el llamado Sistema Termosifón. Qué son los espejismos? Mar Arena El vapor de las fábricas va para arriba, en este caso es el vapor de una torre de enfriamiento. Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 4
Termodinámica para ingenieros PUCP 2. Forzada: el fluido se mueve por medios mecánicos (bombas o ventiladores), o agentes externos aplicados al fluido (también pueder ser Aumento de Presión). Qué tipo de convección es? Cuál es el flujo que se calienta? Cuál se enfría? Cuál se enfriará más en cantidad de energía? El agua o el Aire? En los motores de carro, el ventilador enfría el agua y una bomba lo transporta del motor al radiador Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 5
3.4 Radiación Térmica «Todos los cuerpos emiten radiación debido al nivel de Temperatura absoluta que poseen.» Es un proceso en el cual se emite energía radiante en todas las direcciones. Si a un cuerpo frío le llega esta energía, absorbe algo de ella aumentando su energía interna y se tiene como consecuencia un aumento de su temperatura. La energía del Sol llega a nosotros despues de viajar por el espacio a la velocidad de la luz. Cuando esta energía hace contacto con un objeto, parte de esta es tomada o absorbida. Como aumenta la energía interna entonces las moléculas vibran más. Los objetos reciben y emiten energía (en forma de radiación) todo el tiempo. Diferentes objetos emiten diferentes cantidades de radiación, dependiendo de su temperatura y su superficie. Cuál calentará más? Cada color del arcoiris refleja una radiación diferente Los termómetros infrarrojos modernos pueden registrar la temperatura desde lejos. La medición es por comparación de ondas emitidas Según el «color» de las cosas o de nuestras ropas la cantidad de calor absorbida será diferente. Negro: Absorbe todo el calor. Blanco: refleja todo el calor. Los bomberos y los astronautas usan trajes especiales que reflejan la radiación térmica!! NOTA : Las radiaciones sondiferentes, una cosa es radiación de TV, radio y otra es radiación térmica que vemos en este capítulo. Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 6
Termodinámica para ingenieros PUCP Algunos ejemplos de medición de la temperatura a través de la radiación. Calor en una casa Temperatura de la Tierra Agujero en la Capa de Ozono Calor de la mano Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 7
3.5 Ejemplos en la industria y en el hogar Botella de doble vidrio Termo doméstico: Vacío Pátina de plata (espejos) líquido En algunos termos el «vacío» reduce la transmisión de calor por conducción y convección. El «plateado» reduce las pérdidas por radiación. El mango de la sartén debe ser aislante, mientras que el material de la sartén u ollas deben ser buenos conductores. El interior de los invernaderos esta más caliente que el exterior porque los rayos del Sol pasan a traves del vidrio y cuando rebotan cambian su longitud de onda y ya no pueden salir; por lo que se quedan dentro calentando las plantas. Laboratorio de Energía PUCP Qué significa el color rojo de las tuberías? CODIGO COLORES DIN 12920 Las tuberías y los tanques calientes (como las termas domésticas y las refrigeradoras deberán estar forradas o tapadas con material aislante (consideradas como adiabáticas) para reducir las pérdidas de calor. Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 8
Termodinámica para ingenieros PUCP Las refrigeradoras estan rodeadas de material aislante para reducir la transferencia de calor. Esto reduce que el calor exterior (puede ser el de la cocina) se meta en la refrigeradora. El calor fluye de mayor temperatura a menor. Freezer Convección Dentro del refrigerador se produce movimiento por convección para uniformizar la tempertura de los alimentos. Qué pasaría si el Freezer quedaría en la parte de abajo de tu refrigeradora? En las refrigeradoras antiguas el freezer no podía estar abajo pues todo el aire caliente se quedaba arriba y no habría enfriamiento en la parte superior. Las cocinas parabólicas solares pueden llegar hasta 400 C, sólo por radiación. Los espejismos que vemos son por efecto de convección. En las planchas eléctricas el calor se transfiere por conducción (contacto directo) y podemos captar la radiación cuando alejamos la plancha de la ropa. Cuánto de calor puede disipar una plancha? a) 0,5 kw b) 1 kw c) 100 kw d) 1 MW Basta que te destapes un poco y todo el calor se saldrá por el agujero! Las frazadas son buenos aislantes térmicos (tienden a ser adiabáticos). Cap 3 Transferencia de Calor - Pág. 9