Fisica de Calor y Procesos

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Física de Calor y Física de Calor y Procesos Procesos Dpto. de Ingeniería Dpto. de Ingeniería Ambiental Física y Ambiental Física y Meteorología Meteorología Luis Yoza Prof. Luis Yoza Prof.
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Fisica de Calor y Procesos

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  • Fsica de Calor y ProcesosDpto. de Ingeniera Ambiental Fsica y MeteorologaLuis Yoza Prof.

  • CUERPO ACUERPO B

    Q

    MECANISMOS

    CONDUCCIN CONVECCIN RADIACIN

    CALOR = ENERGA1 CAL = 4.18 Joules

    TRANSFERENCIA DE CALOR

  • CONDUCCIN DE CALORFLUJO DE CALORQ/tT2LT=T1-T2< 0T1
  • Ecuacin de Conduccin de calor para procesos estacionariosT2T1LXXTxProceso Estacionario

    Donde: H: Flujo estacinario en Jouls/s = watts= vatios A: Area de la seccin transversal en metros2 L, L : Longitud de la barra en metros T= T1-T2= diferencia de Temp.. en C , K k: coeficiente de conductividad trmica ( jouls/(m.s. C)

  • T2T1L0ProcesoEstacionarioProcesosinestables XTemperatura

  • Tarea: encontrar las ecuaciones de flujo estacionario paraLa tubera y la esfera.CONDUCTIVIDAD TERMICA DE ALGUNAS SUSTANCIAS

    Flujo a travs de una esfera

    Ejemplo

    SustanciaJ/ m.s.CCal/m.s. CAcero50.20.12Aluminio250.00.49Cobre385.00.92Poliuretano0.040.0001Madera0.12-0.040.0003-0.0001Aire0.0240.00057Vidrio0.0100.0025

  • Latn0C

    Se sueldan 3 varillas, de cobre, latn y acero en forma de Y. El rea transversal de cada varilla es de 2cm2. El extremo libre de la varilla de cobre se mantiene a 100 C y la latn y acero a 0. Suponga que no hay perdida por los costados de las varillas Qu temperatura tiene la unin ?. Lcobre = 13cm ; Llaton= 18cm y Lacero= 24cm. Y k(cobre)= 385 W/mK; k(laton) = 109 W/mK; k(acero)= 50.2 W/mK.

    Sabemos que por definicin todo H >0 luego:

  • Un extremo de una varilla metlica aislada se mantiene a 100C y el otro se mantiene a 0 C con una mezcla de agua y hielo. La varilla tiene una longitud de 60cm y el rea transversal de 1.25cm2: EL calor conducido por la varilla funde 8.5gramos de hielo en 10 minutos. Calcule la constante de conductividad trmica del metal.

    Calor necesario par fundir 8.5gramos de hielo a 0Q= m.Lf = 8.5x80= 680cal = 680*4.18 =2842.2 JoulsLuego el flujo de calor por segundo sera: H= Q/t = 2842.2/(10*60)= 4.74 Jouls/s = Vatios = Watts Aplicando este flujo a la varilla tenemos:

    despejando k de la ecuacin:

    k= 380W/mK

  • EjemploSuponga que se tiene una barra de aluminio de 50 cm de longitud y un rea de 2cm2, Siendo la temperatura de la fuente caliente 150 C y el de la fuente fra 20 C .1- Cul es el gradiente trmico en el proceso estacionario?2- Cul es el flujo de calor en el proceso estacionario?3- Cul es la temperatura a 40cm de la fuente caliente?solucin

  • 2.- Un carpintero construye una pared el exterior de una chapa de madera de 3cm y el interior otra de poli estireno de 2.2cm de espesor. La temperatura exterior es de 10 C y el interior de 19C1.- Cul es la temperatura de unin de las placas?2.- Cul es el flujo de energa por m2 a travs de la pared?

  • A1= Area del bloque 1A2= Area del bloque 2 T1= Temp.. en lado 1 T2= Temp.. en lado 2 H1= flujo del bloque 1H2= flujo del bloque 2 Resistencia TrmicaResistencia en Paralelo:

    DONDE Resistencia equivalente paralelo

  • Conexiones en Serie

    T1>T3>T2(1)(2)Sumando las ecuaciones 1+2 tenemos: HR1+HR2=-T3+T1-T2+T3

  • Ejemplo:Un carpintero construye una puerta de madera slida de 2mx0.95mx5cm,de conductividad trmica es K=0.12 W/mK. Las pelculas de aire entre las caras de la puerta tienen una residencia trmica equivalente a 1.8cm de madera. La temperatura interior es de 20C y el exterior -8C . Calcular el flujo de calor a travs de la puerta.

    Conexiones en Serie

  • PROCESO DE CONVECTIVOFLUJO DE CALOR POR TRANSFERENCIA DE MASA.

    Flujo Conectivo Natural Flujo conectivo forzadoFLUJO CONVECTIVO NATURAL

    Formacin de celdas de conveccinFLUJO CONVECTIVO FORZADO

    VENTILADOR FLUJO CONVECTIVO FORZADO

  • Conveccin naturalpared horizontalpared horizontalpared verticalProceso estacionario convectivoT2T1HH=-h.A.TCelda conectivaCelda conectivaCelda conectivaCelda conectivaEl Tornado de agua MS grande del mundo.wmv

  • H=-h.A.TEcuacin que gobierna el flujo convectivoDonde: es el flujo de calor en jouls/sA: area en m2T= T1-T2h= coeficiente de conveccin natural a presin atmosfrica J/m2sKElmundo Por qu se forman tornados y 'ciclognesis'.wmv

    Tipo de superficieh=J/m2s.KPlaca horizontal hacia arriba2.49x (T)1/4Placa horizontal hacia abajo1.31x (T)1/4Placa vertical1.77x (T)1/4Tubo (vertical u horizontal)D=dimetro en m1.32x(T/D)1/4

  • EJEMPLO.PROCESO DE FORMACIN DE HIELO EN UNA LAGUNA EN INVIERNO

    Zona de congelacinhielo aguaProceso de Conduccin de calorProceso de conveccin de calorhieloQu pasara con la vida, si la densidad del hielo fuese mayor que la del agua?

  • Una pared plana se mantiene a una temperatura constante de 100C y el aire a ambos lados est a la presin atmosfrica y a la temperatura de 20 C . Calclese el calor que se pierde por conveccin natural en 3m2 de pared en ambos lados por hora.100C20CCelda conectivaCelda conectivah=1.77x(T)1/4h=1.77x(100-20)1/4h= 5.29 J/m2 s. KH= 2.h.A.T=2x5.3x3x80=2x 1272 ( J/s)Q=2544x3600 Jouls Q= 9.16x106 J= 9.16 MJouls

  • EjerciciosUna pared plana de rea 2m2, se mantiene a una temperatura constante de 200C y el aire a ambos lados est a la presin atmosfrica ya 30C. Calcule el calor que se pierde por conveccin natural en una hora.a) Si la pared es vertical b) Si la pared es horizontal

  • Problema:La temperatura en un cuarto es de 25C y la temperatura exterior -15C Cunto calor se transfiere por unidad de rea (xcm2) del vidrio de una ventana cuya conductividad trmica es 0.01 J/m.s.C y espesor 2mm.?. Asumir una temperatura promedio en el vidrio. Estime la temperatura interior y exterior del vidrio de la ventana?.

    H 25CCelda N 1H-15Ccelda N 2CONVECCINCONDUCCINCONVECCIN Asumiendo que la ventana est a una temperatura promedio

    Tm= (25+(-15))/2= 5C y que el flujo de calor en los 3 procesos es el mismo, tenemos:

  • CELDA N 1De acuerdo con las tablas h= 1.77x(25-5)1/4 = 3.74x J/s.m2.CDe la ecuacin de conveccin tenemos:H=-h.A.T H/A=- h. T = 3.74x20= 74.82 J/s.m2 Para 1m2PROCESO DE CONDUCCIN A TRAVS DEL VIDRIO.

    Si la diferencia de temperatura estimada entre el interior y el exterior es de 14.96C y siendo la temperatura promedio estimada del vidrio de 5C, luego la temperaturas Tca= 5+14.96/2= 12.5C y l a Tex= 5-14.96/2= -2.48C H=74.82 J/sm2

  • T 0 KTodo cuerpo absorve energa electromagnticadel medio ambienteTamb 0 K

    Todo cuerpo cuya temperatura es T 0 KIrradia energa electromagnticaOndas Electromagnticas

  • La cantidad de energa emitida por la superficie de un cuerpo segundo es: H= AT4

    RecepcinEnerga acumulada Donde; H= J/s , A= m2 , = emitividad de la superficie 0 1 = 5.7x10-8W/m2.K4 , constante de Stefan-Boltzmann , T= grados K

    Superficies buenas absorbentesSuperficies malas reflectoras Superficies buenas reflectorasSuperficies malas absorbentesLey de Stefan Boltzmann

  • Cuerpo negro

    Cuerpo Negro:Toda cuerpo cuya superficie es 100% absorbenteEs el mejor receptorEs el mejor emisor = 1Cuerpo Gris: Todo cuerpo opaco en general

  • H= 547.7 watts

    H(irradiado)H(recibido)H(total) = 547.7-478.90 =68.8 watts Ejemplo:Suponga que la superficie total del cuerpo de un hombre que se encuentra en el espacio sin ningn traje espacial, sea aprox. 1.2m2 y su temperatura promedio 36C . Hllese la energa irradiada por segundo de est persona. considere = 0.95, Considere el ambiente a 0,0 K.H= A T4 H= 5.7x10-8x0.95x1.2x3094= 547.7 watts

    Si la temperatura ambiental es de 20 C, Cul ser en balance de energa irradiada por el hombre?

    H(total)= H(i)-H(re)

    Donde : H(i)= 547.7 W y H(re) =5.7x10-8x0.95x1.2x2934= 478.9 watts

  • Infra rojoFrecuencia f (1/s)Longitud de onda, ( cm,m)velocidad de la Luz C ( 300 000 000 m/s = 108m/s)

    Ejemplo: cuerpo humano T= 309 KEmisin de un cuerpo a la temperatura T

  • Frecuencia mxima de radiacin

    Ejemplo:Para un cuerpo humano con la temperatura de 27C el pico de frecuencia esf= 0.587x1011x300= 1.76x1013 Hz La longitud de onda es = c/= 3x108/1.76x1013= 1.7x10-5m = 17m= 17 micras ( infrarrojo)

  • Problemas:1.- La temperatura de trabajo de un filamento de una lmpara incandescente es de 2450K y su poder emisor es 0.3. Hllese el rea del filamento si su potencia es de 25W.H= AT4H= 25 W= 5.67x10-8 W/m2K4=0.3T= 2459 KA= H/T4 = 25/(5.67x10-8x0.3x24504)= 0.408 cm22.- Una pequea esfera metlica de cobre ennegrecida de 2cm de radio, se coloca en una cavidad donde se ha hecho vaci y las paredes estn a 100C Qu cantidad de energa ha de suministrrsele a la esfera para mantenerla a la temperatura de 127CH1H2400K373KH1= AT4= A4004=H2= A3734= H= A(4004+3734)= 5.67x10-8x4x3.1415xx0.022x(4004-3734)

    H= 1.8W