Transferencia de calor

1. 1
TRANSMISIÓN DEL CALOR
• CONDUCCIÓN

2. 2
Concepto de flujo
Una magnitud física...
A
Carácter vectorial...
Una superficie...
S
Flujo de A a través de la superficie
S
A
θ
SA

⋅=Φ θcos⋅⋅=Φ SA
CANTIDAD
ESCALAR

3. 3
Sentido físico de distintos tipos de flujo
Transporte de partículas:
El flujo es el número de partículas transportadas por unidad de tiempo
volumenunidad
partículasnumero
=n
v
x
t N Número de partículas que
atraviesan la superficie en
el intervalo t
S
N = n⋅S⋅x
x = v⋅t
N = n⋅S⋅v⋅t
vSn
t
N
⋅⋅==Φ3
m
partículasnumero
s
m2
m
s
partículasnumero
=

4. 4
Flujo de calor
Energía que atraviesa una superficie
por unidad de tiempo → Potencia
http://ps1.eis.uva.es/java/carinuri/pagshtml/dcha_ter.htm#FlucalUnidades relacionadas con calor
Energía
Tiempo
Potencia =watios
Densidad de flujo
Potencia que atraviesa una superficie
por unidad de tiempo y unidad de área A
Potencia
Área
Watios/m2
dx
dT
kAQ −=
dx
dT
k
A
Q
−=

x)(xTT =

5. 5
Mecanismos de
transmisón de calor
Conducción: transferencia de energía
desde cada porción de materia a la
materia adyacente por contacto
directo, sin intercambio, mezcla o
flujo de cualquier material.
Convección: transferencia de energía
mediante la mezcla íntima de distintas
partes del material: se produce
mezclado e intercambio de materia.
Convección natural: el origen
del mezclado es la diferencia de
densidades que acarrea una
diferencia de temperatura.
Convección forzada: la causa del
mezclado es un agitador mecánico
o una diferencia de presión
(ventiladores, compresores...)
impuesta externamente.
Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas,
emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.

6. 6
Resistencias térmicas
Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la
conducción
x
TT
k
A
Q 12 −
−=

x
T1
T2 kx
TT
/
12 −
−=
Conductividad
R
TT 12 −
−=
R
T∆
=
Resistencia térmica en W-1
·m2
·K
Similitud con circuitos eléctricos
R
I
0V R
V
I 0=
R
T
A
Q ∆
=


7. 7
Ejemplo. Resistencias en serie
R1
R2
Resistencia equivalente = suma de resistencias
Ejemplo
Calcúlese la resistencia térmica de la pared de un refrigerador,
formada por tres capas de material, cuyos espesores son, de
dentro afuera 2 cm, 10 cm y 3 cm. Las conductividades
térmicas de los tres materiales son, respectivamente, 0.25, 0.05
y 0.20 W· m-1
·K-1
.
08.0
25.0
02.0
1
1
1 ==
∆
=
k
x
R W-1
·m2
·K
00.2
05.0
10.0
2
2
2 ==
∆
=
k
x
R W-1
·m2
·K
15.0
20.0
03.0
3
3
3 ==
∆
=
k
x
R W-1
·m2
·K
Resistencias en serie
23.2321 =++= RRRR W-1
·m2
·K
R1 R2
2 10 3
(cm)

8. 8
1 2ln ln
( )
ln
r a
T T
b r
T r
a
b
   
+ ÷  ÷
   =
 
 ÷
 
http://scienceworld.wolfram.com/physics/CylinderHeatDiffusion.html
EJEMPLO 2:
CONDUCCIÓN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA
T1
T2
a
b
r
r

9. 9
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
300
320
340
360
380
400
T (ºC)
r (m)
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
300
320
340
360
380
400
T (ºC)
r (m)
400 ºK 300 ºK
10 cm
0.5

10. 10
30 35 40 45 50
T (ºC)
08:00
10:00
05:00
12:00
15:00
18:00
Altura
15 cm
30 cm
60 cm
1.20 m
10.0 m
2.40 m
-2 cm
-5 cm
-15 cm
Perfiles en verano
(datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)
CONDUCCIÓN EN SUELO
El suelo tiene
una capacidad
calorífica alta,
entre 0.27 y 0.80
cal/g/ºC, lo que
significa que es
un buen
acumulador de
calor, y una baja
conductividad
térmica, que
hace que la
penetración del
calor en el suelo
sea lenta, al
igual que su
enfriamiento.