Calorimetria y transferencia de calor

1. Calor Sensible y
Calor Latente

2. Calor
Transferencia de energía que se
produce en virtud de la diferencia de
temperaturas

3. 1 cal = 4,186 J
Energía térmica necesaria para elevar
1°C la temperatura de un gramo de agua
de 14.5 0C a 15.5 0C a 1 atm de presión.
Caloria

4. Conversión de unidad de Energía

5. CALOR LATENTE
El calor latente es la energía requerida por una cantidad de
sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido
(calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de
vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en
forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para
un aumento de la temperatura

6. CALOR SENSIBLE

8. Cambios
de estado
Normalmente, una sustancia
experimenta un cambio de
temperatura cuando absorbe
o cede calor al ambiente que
le rodea. Sin embargo,
cuando una sustancia cambia
de fase absorbe o cede calor
sin que se produzca un
cambio de su temperatura. El
calor Q que es necesario
aportar para que una
masa m de cierta sustancia
cambie de fase es igual a:

9. Fórmulas del calor
Aumento de temperatura:
Q = m · ce · T
Cambio de estado físico:
QF = m · LF
QV = m· LV
Q : Cantidad de calor necesaria para el cambio de fase cuando la sustancia está
en el punto de cambio.
Ce = calor especifico, es propio de cada cuerpo
m : Masa de la sustancia
L : Calor latente de cambio de fase de la sustancia

10. Heterogéneos: Consta de varias fases.
Fase: Sistema o subsistema de composición química y
estructura homogénea limitado por una pared a través
de la cual las propiedades físicas cambian
bruscamente.
Según su estructura interna:
Cambios de fase. Calor latente
Homogéneos: Consta de una solafase.

11. Q = L m
Lf
LV
L: calor latente
J /kg
Los cambios de fase llevan un intercambio de calor sin
que varíe la temperatura del sistema.
Cambios de fase. Calor latente

12. El calor latente puede ser Lf o Lv, los cuales
dependen de la sustancia y en que estado queremos
que se encuentre. Observa la siguiente tabla:
Sustancia
T. fusión
(°C)
Lf ·103
(J/kg)
T. ebullición
(°C)
Lv ·10
3
(J/kg)
Hielo (agua) 0 334 100 2260
Alcohol Etílico -114 105 78.3 846
Acetona -94.3 96 56.2 524
Aluminio 658.7 394 2300 9220
Estaño 231.9 59 2270 3020
Hierro 1530 293 3050 6300
Cobre 1083 214 2360 5410
Mercurio -38.9 11.73 356.7 285
Plomo 327.3 22.5 1750 880
Cinc 420 100 918 1990
Potasio 64 60.8 760 2080
Sodio 98 113 883 4220

13. PSICROMETRÍA

14. Psicrometría
La Psicrometría es el estudio de las
propiedades termodinámicas del aire
atmosférico.
Sus aplicaciones mas comunes se asocian a
las mezclas aire vapor de agua.

15. Componentes del Aire Atmosférico
Existen dos componentes en la fase gaseosa:
-Aire seco: componente A
-Vapor de agua: componente B

16. Aplicaciones de la Psicrometría
 Control del clima, en especial en el
acondicionamiento de aire para el confort
termal.
 Condensación en superficies frías.
 Enfriamiento Evaporativo
 Sistemas de almacenamiento de
productos.
 Diseño de equipos de aire acondicionado

17. Cálculos de propiedades
Psicométricas
- Método analítico
- Diagrama Psicométrico de Carrier

18. Propiedades del aire seco
Composición del aire
El aire es una mezcla de varios gases, cuya
composición varia ligeramente en función
de la posición geográfica y altitud.
El peso molecular aparente del aire seco
estándar es de 28.9645

19. Composición estándar del
aire
Componente % en volumen
Nitrogeno 78.084
Oxigeno 20.9476
Argon 0.934
Dioxido de carbono 0.0314
Neon 0.001818
Helio 0.000524
Otros gases (Trasas de metano, dioxido
de azufre, hidrogeno, kripton y senon) 0.000658
Total 100

20. Volumen especifico del aire
seco
Donde:
Ve = volumen especifico del aire seco (m3/kg)
Ta = temperatura absoluta(K)
Pa = presión parcial del aire seco (kPa)
Ra = Constante de los gases ideales (m3Pa/kg.°K)

21. Calor especifico del aire
seco
El calor especifico a una atmosfera
(101.325kPa) del aire seco, dentro
del intervalo de temperatura
comprendido entre -40 y 60°C varia
desde 0.997kJ/kg.°K hasta
1.022kJ/kg.°K. en la mayoría de los
casos puede utilizarse el valor medio
1.005kJ/kg.°K

22. Entalpia de aire seco
La entalpia o contenido energético del aire seco
es un termino que se define en función a un
punto de referencia. En los cálculos
psicométricos la presión de referencia es la
atmosfera y la temperatura de referencia es 0°C
Donde:
Ha = entalpia del aire seco (kJ/kg)
Ta = temperatura de bulbo seco
To = temperatura de referencia (0°C)

23. Temperatura de bulbo seco
(Tbs)
 Es la temperatura del aire medida
en un termómetro convencional.

24. Propiedades del vapor de
agua
 El vapor de agua es esencialmente vapor sobre
calentado en condiciones de baja presión y
temperatura.
 Se sabe que el peso molecular del agua es
18.01534, de forma que la constante de los
gases ideales para el vapor de agua es:

25. Volumen especifico del
vapor de agua
 Por debajo de 66°C, el vapor saturado y
sobrecalentado sigue las leyes de los gases
ideales.
Donde:
Vw = volumen especifico (m3/kg)
Rw = constante de los gases (m3Pa/kg°K)
Tw = temperatura absoluta (°K)
Pw = presión parcial del vapor del agua (kPa)

26. Calor especifico del vapor
de agua.
 El calor especifico del vapor
saturado como del vapor sobre
calentado no varia dentro de los
intervalos de temperatura
comprendido entre -71 y 124°C,
tomanadose generalmente un valor
de 1.88KJ/kg°K

27. Entalpia del vapor de agua.
Donde:
Hw = entalpia del vapor de agua saturado y
sobrecalentado (KJ/kg)
Ts = Temperatura del ambiente(°C)
To = temperatura de referencia (°C)

28. Propiedades de las mezclas
aire – vapor de agua
Ley de Gibbs-Dalton
Las mezclas aire-vapor de agua existentes en la atmosfera
siguen la ley de Gibbs-Dalton, de forma que la presión
ejercida por una mezcla de gases es la misma que la suma
de las que ejercían los gases constituyentes.
El aire atmosférico se encuentra a una presión total igual a
la presión barométrica de la ley de Gibbs-Dalton.
Donde:
Pb = presión total o presión barométrica del aire húmedo (kPa)
Pa = presión parcial ejercido por el aire seco (kPa)
Pw = presión parcial ejercida por el vapor de agua (kPa)

29. PUNTO DE ROCIO
 Cuando una mezcla aire-vapor se
enfría a presión y relación de
humedad constantes se alcanzan
una temperatura en la que la mezcla
se satura, y por debajo de la cual se
produce condensación de la
humedad.

30. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Temperatura del Punto de Rocío (TPR)
Es la temperatura a la cual ocurre la
condensación cuando el aire se enfría a humedad
absoluta y a presión constantes
Puede considerarse como la temperatura de
saturación correspondiente a la humedad
absoluta y presión de vapor del aire húmedo.

31. Interacción termal del cuerpo humano y el
medio ambiente

32. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Temperatura de Bulbo Húmedo (Tbh)
Es la temperatura del aire medida en un
termómetro de bulbo húmedo.

33. Temperatura de Bulbo Seco y Temperatura de Bulbo
Húmedo
V  5,0 m/s

34. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO
La temperatura de bulbo húmedo psicrométrica (Tbh) es
la temperatura del aire húmedo que indica un
termómetro cuyo bulbo está cubierto de una gasa
húmeda.
La temperatura de bulbo húmedo termodinámica (Tbh*)
es la temperatura alcanzada por el aire húmedo y el
agua si el aire se satura adiabáticamente por el agua
que se evapora.
Las Tbh psicrométrica y termodinámica para aire
húmedo son casi iguales, en el intervalo de condiciones
empleadas en el procesamiento de PRODUCTOS.

35. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (2)
Considere la siguiente situación :
Como Tbs>Tbh, hay un gradiente favorable para la
transferencia de calor hacia la gota

36. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (3)
Para que se mantenga en equilibrio (estado
estable:
q = X x
donde:
X = kg de agua evaporada/h
x = Calor latente de evaporación (kJ/kg)

37. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (4)
La transferencia de calor depende de:
1. El área de transferencia, A.
2. El coeficiente de transferencia de calor (hc +
hr), donde hc es el coeficiente de transferencia
por convección, y hr el coeficiente de
transferencia por radiación.
3. El gradiente de temperaturas.

38. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (5)
Entonces:
q = (hc + hr) A (Tbs - Tbh)
La cantidad de agua transferida desde la
superficie de la gota puede ser definida como:
 
NA  KgA( px pg)
donde:
NA = Kgmol/h
px = presión parcial de vapor en la superficie de la gota.
pg = presión parcial de vapor en la masa de aire.
Como:
X = 18.02 NA

39. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (6)
Entonces:
 
x 18.02KgA(px pg)
Sustituyendo:
 
(hc  hr)A(Tbs Tbh) 18.02KgA(px pg)x

40. 18.02Kgx
(hc  hr)(Tbs Tbh)
 
( px pg) 
TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (7)
Como normalmente hr es despreciable en
comparación con hc:
hc
(Tbs Tbh)
 
( px pg) 
18.02Kgx
Ecuación básica del concepto de bulbo húmedo

41. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (8)
Factores que influyen sobre Tbh
Como hc y Kg son afectados por los mismos factores,
si se modifica hc, Kg también lo hará en forma
proporcional, por lo que puede considerarse que
hc/Kg = constante.
Por otro lado, el rango de variación de x es pequeño (530-
620 Kcal/Kg) y puede considerarse con un valor promedio
constante de 555 Kcal/Kg.

42. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO

HÚMEDO (9)
Adicionalmente, la presión parcial de vapor para
la mayor parte de las mezclas aire-vapor de agua
es muy pequeña y entonces la humedad:

28.97(1 p)
18.02 p
H 

43. 28.97Hx
px 
 28.97Hg
pg 

y
TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (10)
Por lo que:
18.02 18.02
donde:
Hx = Humedad en la superficie de la gota.
Hg = Humedad en la masa de aire.

44. hc
(Tbs Tbh)
Hx  Hg
28.97xKg
TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (11)
Entonces,
Cuando Tbh=Tbs, Hx=Hg y el aire estará saturado.
En la mayoría de los casos, Tbs>Tbh y Hg<Hx
Hx = Humedad en la superficie de la gota.
Hg = Humedad en la masa de aire.

45. TEORIA DEL TERMÓMETRO DE BULBO
HÚMEDO (12)
Al representar esta ecuación en el gráfico
psicrométrico obtenemos una línea casi recta:
hc hc
Tbh Hx
Tbs 
 Hg 
28.97xKg 28.97xKg
donde:
Hx = Humedad en la superficie de la gota.
Hg = Humedad en la masa de aire.

46. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Humedad Absoluta (W).
Se define como los kilogramos de vapor de
agua contenidos por kilogramo de aire seco

47. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Entalpía Específica (he).
Es la cantidad de energía que tiene el aire por
unidad de aire seco.

48. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Volumen Específico (Ve).
Es el volumen que ocupa el aire por unidad de
kilogramo de aire seco.

49. 1.2 PROPIEDADES BASICASDEL
SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA
Volumen Húmedo (Vh)
El volumen húmedo de una mezcla aire-vapor de agua es la
suma del volumen de 1 Kg de aire seco más el volumen del
vapor de agua que lo acompaña.
Utilizando la ley de gas ideal:


Vh 
22.4T

 1 H

273 PMB PMA
donde:
Vh = m3/Kg aire seco

50. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Humedad Relativa (HR)
Se define como la razón de la presión de
vapor real en el aire, a la presión de aire
saturado a la misma temperatura.
x 100
T=cte
HR = ( pA /pA)
donde:

pA = presión parcial de vapor de agua, (Pa)
pA = presión de vapor del líquido a temperatura T
, (Pa)

51. Estados del agua

52. Cambio de fases del agua

53. Cambio de fases del agua

54. Humedad Relativa

55. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Presión de vapor (Pv).
Es la presión que ejercen las moléculas de
vapor de agua presentes en el aire.

56. PROPIEDADES BÁSICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Entalpía total (H)
Es el contenido entálpico de 1 kg de gas más el
vapor que lo acompaña tomando como
referencia una cierta temperatura
Está determinado por tres factores:
1.- El calor sensible del gas libre de vapor.
2.- El calor latente ( ) del líquido a la temperatura de referencia
(To).
3.- El calor sensible del vapor.

57. PROPIEDADES BASICAS DEL SISTEMA
AIRE-VAPOR DE AGUA
Así:
+ HCpA (T - To)
h = CpB (T - To) + H
h = H + Cs (T - To)

58. 1.2 PROPIEDADES BASICASDEL
SISTEMA AIRE-VAPOR DE AGUA
Calor húmedo (Cs)
Es el calor específico del aire con el vapor de
agua que contiene, esto es, el número de Kcal
necesarias para aumentar la temperatura de 1
kilogramo de gas más el vapor que lo
acompaña, en 1°C.
Cs = CpB + HCpA
donde:
CpB = calor específico del gas, Kcal/Kg.°C
CpA = calor específico del vapor de agua, Kcal/Kg.°C

59. Esquema de un psicrómetro

60. Carta Psicrométrica
 La carta psicrométrica da las siguientes propiedades
termodinámicas del aire húmedo a diferentes presiones
atmósfericas:
Temperatura de bulbo húmedo
Temperatura del punto de Rocío (o saturación)
Contenido de humedad
Humedad Relativa
Volumen Específico
Entalpía
a) Temperatura de bulbo seco
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h) Presión de vapor

61. Ubicación de
la
propiedades
del aire en la
carta
Psicrométrica

62. Ubicación de la propiedades del aire en la carta Psicrométrica
TEMPERATURA BULBO HUMEDO

63. Carta
Psicrométrica

64. Carta
Psicrométrica

65. Carta Psicrométrica
Humidity
Ratio
(W)
Dry Bulb Temperature
Válida sólo para una determinada presión

66. Lectura de
las
propiedades
del aire en la
carta
Psicrométrica

67. Procesos Psicrométricos
1. Calentamiento Sensible
2. Enfriamiento Sensible
3. Humidificación Adiabática
4. Deshumidificación por enfriamiento
5. Mezcla de Aires

68. Procesos Psicrométricos :
Calentamiento Sensible
1. Esquema del proceso

69. Procesos Psicrométricos :
Calentamiento Sensible
1. Esquema del proceso

70. Procesos Psicrométricos :
Enfriamiento Sensible
1. Esquema del proceso
1
2

71. Procesos Psicrométricos :
Humidificación Adiabática
1. Esquema del proceso

72. Procesos Psicrométricos :
Humidificación Adiabática
1. Esquema del proceso

73. Procesos Psicrométricos :
Deshumidificación por enfriamiento
1. Esquema del proceso

74. Procesos Psicrométricos :
Deshumidificación por enfriamiento
1. Esquema del proceso

75. Procesos Psicrométricos :
Deshumidificación por enfriamiento
1. Representación en la Carta Psicrométrica

76. Procesos Psicrométricos :
Mezcla de Aires
1. Esquema del proceso

77. Mezcla de Aires

78. Procesos Psicrométricos :
Mezcla de Aires
En varias ocasiones se presenta el mezclado de
dos corrientes de aire con distinto flujo másico,
temperatura y humedad
Los balances de materia y energía para un
proceso de este tipo son:
m1 + m2 = m3
m1W1 + m2W2 = m3W3
m1h1 + m2h2 = m3h3

79. Mezcla de Aires en la Carta
Psicrométrica

80. Zona de confort térmico