Prácticas de transferencia de calor

1. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI
INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD IV
TRANSFERENCIA DE CALOR
PRÁCTICA #1:
Perfiles de temperatura
Ley de Fourier
Ley de enfriamiento
Ley de aletas
LABORATORIO INTEGRAL I
NORMAN EDILBERTO RIVERA PAZOS
INTEGRANTES:
BUENO SALDAÑA JESÚS ALBERTO
FRANCO ESPINOZA JOHANA
GALLEGOS GONZÁLEZ LUCERO
JIMÉNEZ BADILLA FRANCISCO RAFAEL
LÓPEZ PÉREZ PAOLA
ROCHA MARTÍNEZ SERGIO DAMIAN
TORRES DELGADO NIDIA EVELYN
Realizada el 16 de mayo de 2018
MEXICALI, B.C.

2. PERFILES DE TEMPERATURA
OBJETIVO
 Determinar un perfil de temperatura a otra superficie de un sólido.
MARCO TEÓRICO
El perfilado de temperaturas es el proceso de monitorear e interpretar las temperaturas de
productos a medida que se mueven ya sea en una banda transportadora o en un proceso de
calentamiento por lotes (típicamente en un horno). Los datos numéricos recolectados se
convierten por medio de software de análisis de temperaturas en información significativa
que se muestra como una gráfica – el perfil térmico.
Esta información le dice qué temperaturas ha alcanzado su producto, por cuánto tiempo y en
qué punto del proceso. Los ingenieros de proceso saben cuál debe ser el perfil ideal para su
producto y variaciones de ese indican problemas potenciales o calidad inaceptable.
Analizando el perfil térmico, usted es capaz de verificar y mejorar la calidad del producto,
aumentar el rendimiento y resolver problemas de producción.
Los componentes necesarios para un sistema efectivo de perfilado de temperatura incluyen:
sensores de temperatura para recopilar la información de temperatura, registradores de
adquisición de datos para capturar los datos, barreras térmicas para proteger el registrador de
datos, y más importante, software para perfilado de temperatura para el análisis y archivado
de todos los perfiles de temperatura.
Beneficios del Perfilado de Temperatura
 Calidad del producto mejorada
 Incremento en la productividad
 Minimización de costos de energía
 Validación de control de procesos (QS/ISO9001)
 Nueva configuración de procesos eficiente y rápida
 Rápido diagnóstico de fallas [1]

3. MATERIAL
 1 Barra de cobre
 1 Marcador
 1 Plancha
 1 Regla
 1 Termómetro infrarrojo digital
 3 Parrillas de asbesto
PROCEDIMIENTO
1. Hacer marcas en la barra de cobre a diferentes distancias, nosotros en nuestro caso
tomamos rangos de 0.015 m, haciendo 6 marcas en total.
2. Colocar encima de la plancha tres parrillas de asbesto para evitar al mínimo la
radiación que se pudiera generar.
3. Encender la plancha.
4. Colocar la barra de cobre en el centro de la plancha.
5. Esperar 10 minutos, medir la temperatura en la parte superior 3 veces, para comprobar
que se ha alcanzado una temperatura constante.
6. Hacer las mediciones de temperatura en cada punto.
Figura 1. Materiales utilizados.

4. RESULTADOS
A continuación en la tabla 1. Se muestran los resultados de la práctica y a la derecha èstos
expresados en la Figura 2.
INCIDENCIAS
Al principio teníamos pensado usar el mechero con un soporte universal, pero con la ayuda
del maestro Norman, logramos llegar al mismo resultado de una forma más sencilla y rápida.
Al principio habíamos olvidado usar el termómetro de la manera correcta.
No contábamos con marcador y usamos corrector, la barra ya estaba caliente y medimos los
puntos con una regla de plástico la cual comenzó a deformarse.
CONCLUSIONES
La temperatura decrece al incrementar la altura del punto de referencia que tomemos en la
barra. La gráfica sigue una tendencia lineal decreciente, como se puede observar, la
temperatura máxima registrada fue de 309.5 ˚C perteneciente al punto en la barra más cercano
a la plancha y la temperatura al final de ella era de 203.3 ˚C, la cual después de 10 minutos
permaneció constante, esta temperatura era la máxima alcanzada por la barra de cobre al
colocarse sobre la plancha.
Tabla 1.
Figura 2. Gráfica de perfil térmico.

5. BIBLIOGRAFÍA
1. http://www.datapaq.com.mx/datapaq/es-r0/whatisprofiling/default
LEY DE FOURIER
OBJETIVO
Obtener experimentalmente el factor de conductividad térmica de un metal.
LEY DE FOURIER
Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un sistema o siempre que dos cuerpos
con diferentes temperaturas se ponen en contacto, se transfiere energía. Este proceso se
conoce como transferencia de calor. Desde el punto de vista de la Ingeniería, el problema es
determinar, dada una diferencia de temperatura, cuánto calor se transfiere. En ese sentido, se
reconocen tres modos distintos de transferencia de calor: conducción, convección y
radiación.
Conducción
Es la más sencilla de entender, consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un
cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia
entre ellos.
Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un medio sólido, el calor fluirá desde la
región con mayor temperatura a la región con menor temperatura. La Ley de Fourier indica
que potencia calorífica que se transfiere por conducción qk es proporcional al gradiente de
temperatura y a área a través de la cual se transfiere el calor:
dx
dT
kAqk  (1)
Donde k es la constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica y refleja las
propiedades conductoras del material
El signo negativo indica que cuando la temperatura aumenta con la posición, el calor fluye
hacia regiones de menor temperatura.
dT indica el diferencial de temperatura final del cuerpo de transferencia de la inicial.
Dx indica el diferencial de superficie por donde es transferido el calor.

6. Medida del calor transferido
Cuando se transfiere energía en forma de calor a un cuerpo, su temperatura aumenta como
consecuencia del incremento de la energía cinética media de sus partículas. Dado que, como
se ha visto, el calor es una forma de energía, su unidad en el sistema internacional será el
julio (J), aunque existe otra unidad de uso habitual en la medida del calor: la caloría.
El parámetro que relaciona el incremento de la temperatura con el calor suministrado se
denomina calor específico (ce) de una sustancia, definido como la energía absorbida al
calentarse un kilogramo de una sustancia y elevar su temperatura un Kelvin o un grado
centígrado. Es característico de cada sustancia y se mide en el S.I. en J/ (kg·K).
El aumento de temperatura viene dado por tanto por el cociente:
(2)
De modo que el calor intercambiado puede escribirse como:
(3)
Q= La energía transferida a un cuerpo.
m= masa del cuerpo.
(Tf – Ti) = Temperatura que pasa de una inicial (Ti) a otra final (Tf).
ce = Calor específico de la sustancia en cuestión.
Debido a que aparece una diferencia de temperaturas, es equivalente utilizar la escala Kelvin
que la Celsius, pues según se ha visto, ambos grados son equivalentes.
Esta relación explica por qué es necesario suministrar más calor a unas sustancias que a otras
para aumentar su temperatura: cuanto mayor sea su calor específico, más energía será
necesario suministrar. Por ejemplo, los metales tienen un calor específico relativamente bajo,
mientras que la madera o el agua lo tienen elevado.
MATERIAL
 1 cilindro de bronce
 1 soporte universal
 1 mechero
 1 regla
 1 encendedor
 1 pinzas de 2 dedos
 4x12 cm de fibra de vidrio
 1 balanza granataria
 1 termómetro laser
 1 pedazo de cartón
A continuación una tabla con los calores específicos de algunos materiales y sustancias.

7. PROCEDIMIENTO
1. Medir el diámetro y altura del cilindro de bronce
2. Pesar el cilindro en la balanza granataria
3. Abrir la llave de gas de la mesa
4. Armar el soporte universal con las pinzas de dos dedos
5. Color el mechero debajo de las pinzas a 5 dedos de las pinzas
6. Envolver bien el cilindro de bronce y colocarlo entre las pinzas de dos dedos cuidando
que no tenga contacto con las pinzas
7. Colocar el pedazo de cartón detrás del soporte universal para evitar una flama
inestable
8. Encender el mechero
9. Instantáneamente tomar el tiempo hasta que las temperaturas de la cara superior e
inferior no cambien
10. Tomar las temperaturas con el termómetro laser
11. Terminar y desmontar.
Tabla 2. Calores específicos de algunos materiales y sustancias.

8. RESULTADOS
Para Q Para K despejada
Material masa (kg)
ce material
(kJ/Kg K)
T inicial ° C
(cara sup)
T final ° C
(cara sup)
T inicial ºC
(cara inferior)
T final ºC
(cara sup)
Bronce 0.430±0.5 360.000 26.3±0.05 60±0.05 120±0.05 60±0.05
Calor
transferidoQ
(J)
Tiempo de la
transferencia
(s)
Cantidad de
energía
transf. q"
(W)
D (m)
Altura
(m)
Área objeto
(cìrculo)
Superfice
de transf.
(m)
Coef.
Conduct.
térmica k
(W/m °C)
5219.79 480±0.05 10.87 0.025±0.5 0.098±0.5 4.91E-04 0.098±0.5 36.18
Figura 3. Flama inestable Figura 4. Flama estable
Tabla 3. Resultado coeficiente de conductividad
térmica.

9. INCIDENCIAS
 El manejo del termómetro laser es importante, puesto que al no captar la temperatura
6 minutos antes, el resultado esperado fue mucho menor.
 No encontraba encendedor para el mechero
CONCLUSIONES
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de
conducir el calor a través de ellos es importante conocerla a la hora de hacer otros
experimentos, con ésta práctica se trató de relacionar el resultado experimental con el téorico.
REFERENCIAS
Carlos.. (2013). Radiación, conducción y convección: tres formas de transferencia de calor.
12/mayo/2018, de nergiza Sitio web: https://nergiza.com/radiacion-conduccion-y-
conveccion-tres-formas-de-transferencia-de-calor/
Kahan, S.. (2002). Transferencia de calor. 12/mayo/2018, de Universidad de la República
Sitio web: https://www.fing.edu.uy/~skahan/tranferenciacalor.pdf
LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
Objetivo: Obtener el coeficiente de convección ‘’h’’ de la ley de enfriamiento de Newton, a
partir de dos fluidos (agua y aceite) que serán calentados previamente hasta llegar a su punto
de ebullición.
MARCO TEÓRICO:
Convección. Una de las 3 formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce
por medio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes
temperaturas. Se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse,
volumen, densidad y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y
que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por
medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.
La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o
circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de
densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a
otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en
líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.

10. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y radiación
cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección.
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:
  TThA
dt
dQ
s (4)
Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), A es el área del cuerpo
en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y T∞ es la
temperatura del medio ambiente.
Cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado
grande, el calor transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por
conducción, convección y radiación es aproximadamente proporcional a la diferencia de
temperatura entre el cuerpo y el medio externo.
Si la temperatura T del cuerpo es mayor que la temperatura del medio ambiente Ta, el
cuerpo pierde una cantidad de calor dQ en el intervalo de tiempo comprendido
entre t y t+dt, disminuyendo su temperatura T en dT.
Materiales:
 2 vasos de precipitado de 200 ml
 2 soportes universales
 2 pinzas de 3 dedos
 2 tapones para termómetro
 2 termómetros
 1 plancha
 50 ml Agua
 50ml Aceite de ricino
 1 par de guantes
Procedimiento:
1. Vaciar los 150 ml de aceite de ricino y los 150 ml de agua en dos vasos de precipitado.
2. Conectar la plancha para calentar los vasos con las sustancias respectivas.
3. Colocar los vasos en la plancha y esperar a que éstos lleguen a ebullir.
4. Cuando empiecen a ebullir, tomar las temperaturas iniciales de cada sustancia.
5. Colocar con los guantes uno de los vasos de precipitado en un soporte universal,
colocar arriba de él el termómetro sostenido con la pinza de tres dedos y para que el
termómetro no se rompa ponerlo incrustado en el tapón.
6. Hacer lo mismo con el otro vaso de precipitado.
7. Dejar enfriar las sustancias y tomar los tiempos y temperaturas cada 5 minutos.

11. 8. Realizar los cálculos correspondientes para determinar h.
RESULTADOS
T∞(C)= 25±0.05
Vaceite(ml)= 150±0.5
Vagua(ml)= 150±0.5
q(J)= 1000
A(m)= 0.00384845±0.5
Medición
Tiempo
(m)
Tiempo
(s)
Aceite ricino Agua
Temperatura
(C)
Temperatura
(k)
Temperatura
(C)
Temperatura
(k)
1 0 0 101±0.05 374.15±0.05 96±0.05 369.15±0.05
2 5±0.05 300±0.05 94±0.05 367.15±0.05 75±0.05 348.15±0.05
3 10±0.05 600±0.05 81±0.05 354.15±0.05 64±0.05 337.15±0.05
4 15±0.05 900±0.05 69±0.05 342.15±0.05 57±0.05 330.15±0.05
5 20±0.05 1200±0.05 62±0.05 335.15±0.05 51±0.05 324.15±0.05
Figura 6. Aceite de ricino.Figura 5. Agua.
Tabla 5.
Tabla 4.

12. 6 25±0.05 1500±0.05 55±0.05 328.15±0.05 46±0.05 319.15±0.05
7 30±0.05 1800±0.05 50±0.05 323.15±0.05 43±0.05 316.15±0.05
8 35±0.05 2100±0.05 46±0.05 319.15±0.05 41±0.05 314.15±0.05
9 40±0.05 2400±0.05 43±0.05 316.15±0.05 38±0.05 311.15±0.05
10 45±0.05 2700±0.05 40±0.05 313.15±0.05 36±0.05 309.15±0.05
11 50±0.05 3000±0.05 38±0.05 311.15±0.05 34±0.05 307.15±0.05
12 55±0.05 3300±0.05 36±0.05 309.15±0.05 33±0.05 306.15±0.05
13 60±0.05 3600±0.05 35±0.05 308.15±0.05 32±0.05 305.15±0.05
14 65±0.05 3900±0.05 33±0.05 306.15±0.05 31±0.05 304.15±0.05
15 70±0.05 4200±0.05 32±0.05 305.15±0.05 30±0.05 303.15±0.05
16 75±0.05 4500±0.05 31±0.05 304.15±0.05 29±0.05 302.15±0.05
17 80±0.05 4800±0.05 30±0.05 303.15±0.05 28±0.05 301.15±0.05
18 85±0.05 5100±0.05 29±0.05 302.15±0.05 27±0.05 300.15±0.05
19 90±0.05 5400±0.05 28±0.05 301.15±0.05 26±0.05 299.15±0.05
20 95±0.05 5700±0.05 27±0.05 300.15±0.05 25±0.05 298.15±0.05
Aceite de ricino - Aire
Medición t(s)= q(J)= A(m)= Ts(k)= T∞(k)= h(w/m2K)=
5 1200 1000 0.00384845 335.15 298.15 5.85236047
10 2700 1000 0.00384845 313.15 298.15 6.41592111
15 4200 1000 0.00384845 305.15 298.15 8.83825868
Agua - Aire
Medición t(s)= q(J)= A(m)= Ts(k)= T∞(k)= h(w/m2K)=
5 1200±0.05 1000 0.00384845±0.05 324.15±0.05 298.15±0.05 8.32835914
10 2700±0.05 1000 0.00384845±0.05 309.15±0.05 298.15±0.05 8.74898333
15 4200±0.05 1000 0.00384845±0.05 303.15±0.05 298.15±0.05 12.3735621
INCIDENCIAS
Al terminar de calentar las sustancias, retiramos la plancha de la mesa para que las
condiciones de cada fluido fueran iguales, puesto que el aceite estaba a un lado de la plancha
podría haber intercambio de calor por radiación hacia este.
CONCLUSION
Con esta práctica podemos concluir que un material más denso alcanzaría más rápidamente
la temperatura ambiente, donde el agua tiene una densidad de 1 gr/cm3 , mientras que el aceite
Tabla 6.
Tabla 7.

13. de ricino tiene una densidad de 0.96 gr/cm3 y por eso podemos ver porque el agua se enfrio
más rápidamente.
REFERENCIAS
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/estadistica/calor/enfriamiento/enfriamiento.html
http://slideplayer.es/slide/9749183/
TRANSFERENCIA DE CALOR DE CONVECCIÓN POR ALETAS
OBJETIVO GENERAL:
Comprobar de forma experimental la absorción de energía de agua caliente aun medio
metálico con forma de cubo (sin tapadera), con 4 aletas a sus paredes laterales se calculara la
cantidad de calor que estas aletas disipan del cubo metálico.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
Obtener la cantidad de energía calorífica que disipa el cubo.
INTRODUCCIÓN
En esta práctica determinaremos el calor disipado de cuatro aletas utilizando un objeto
metálico como disipador de calor, dentro de él se le introducirá un líquido en este caso agua
a una cierta temperatura caliente, en donde pasara un equilibrio térmico entre el líquido
caliente y el metal menos caliente hasta que le metal ya no aumente su temperatura se harán
los cálculos para determinar el calor que disiparan las 4 aletas.
Al hablar de superficie extendida o aletas, se hace referencia a un sólido que experimenta
transferencia de energía por conducción dentro de sus límites, así como transferencia de
energía por convección e radiación entre sus límites y alrededores. La aplicaciones más
frecuentes es aquella en la que se usa una superficie extendida de manera específica para
aumentar la rapidez de transferencia de calor entre un sólido y un fluido contiguo, las aletas
se usan cuando el coeficiente de trascendencia de calor con convección es pequeño.
MARCO TEÓRICO
Aleta: Solidos que transfieren calor por conducción a lo largo de su geometría y por
convección a través de su entorno, son sistemas con conducción y convección.

14. Dedición de una aleta o superficie extendida:
Al hablar de superficie extendida, se hace referencia a un sólido que experimenta
transferencia de energía por conducción dentro de sus límites, así como transferencia de
energía por convección e (y/o radiación) entre sus límites y los alrededores. La aplicación
más frecuente es aquella en la que se usa una superficie extendida de manera específica para
aumentar la rapidez de transferencia de calor entre un sólido y un fluido contiguo, Las aletas
se usan cuando el coeficiente de transferencia de calor por convección h es pequeño.
Las superficies extendidas pueden existir en muchos tipos de situaciones pero son
normalmente utilizados con aletas.
Tipos de aletas:
Las aletas combinan el sistema de conducción y convección en el área, al añadir una aleta a
una pared, el calor no solo fluirá por la pared, sino también la superficie de la aleta lo cual
provocara la aceleración del enfriamiento o calentamiento, según sea el caso.
Hay diferentes tipos de aletas las cuales incluyen
-Aletas rectangulares
-Aletas rectangulares de perfil triangular
-Aletas circulares o radiales-
Aletas de espina
Transferencia de calor en superficies extendida (aletas)
Figura 7. Aletas, Cengel.

15. Caso A: Aleta con Convección en el extremo Todas las aletas están expuestas a convección
desde el extremo, excepto cuando el mismo se encuentre aislado o su temperatura sea igual
a la del fluido. Para este caso se tiene:
Caso B: Aleta con extremo Adiabático Se considera aleta de este tipo cuando el área del
extremo no intercambia calor con el fluido adyacente.
Caso C: Aleta de extremo con Temperatura Establecida Cuando se conoce la temperatura en
el extremo de la aleta.
Tipos de aletas
𝑞 = (√ 𝐴 ∗ 𝑃 ∗ 𝐾 ∗ ℎ)*(To-Tambiente)*(tanh (mL)) (5)
Figura 8. Aletas.

16. 𝑚 = √
ℎ𝑃
𝐴𝐾
(6)
Efectividad de una aleta:
Es la relación entre la potencia térmica que se disipa en la aleta y la potencia termina que se
disipa sin aleta desde el área de la base que ocupa está en la superficie primaria
Materia y Equipo
 Vaso de precipitado de 1lts
 Termómetro
 Termómetro infrarrojo
 Parilla eléctrica
 Estructura (cubo) con aletas.
 Agua
Procedimiento.
1- Se toma el objeto el cual se usara para el experimento de aletas y se le hace las
mediciones del, perímetro, w, t, A, L.
2- Se pasa a calentar un vaso de precipitado con el agua a una temperatura menor a la
de evaporación con una plancha.
3- Al momento de que ya este caliente el agua se pasa a vestirlo dentro del cubo metálico
con aletas.
4- Nos esperamos unos minutos hasta que el calor transferido del agua al cubo de aletas
llegue a un punto donde la temperatura del cubo ya no aumente.

17. 5- Pasamos a tomar mediciones con el termómetro infrarrojo de la pared exterior y del
ambiente. (La temperatura se toma en un lugar donde no haya mucho flujo de aire
para mejor exactitud en los cálculos).
6- Comprobamos que la temperatura sea igual en los cuatro lados de las paredes en
donde se encuentran las aletas.
7- Anotamos los cálculos y procedemos sacar el calor disipado por aletas.
Figura 9. Figura 10.
Figura 11.
Figura 12.

18. RESULTADOS
Constantes
m 1= 6.52793397
h 1= 5 w/m^2*k
k = 80.5 w/m*k
P= 0.212±0.5 metros
A= 0.000309 metros^2
h 2= 50 w/m^2*k
L= 0.03±0.5 metros
w= 0.103±0.5 metros
t= 0.003±0.5 metros
m 2= 20.6431398
T cero= 338.15±0.05 kelvin
T alfa= 304.15±0.05 kelvin
q= 1.06758655 es el calor qu s disipa con la temperatura ambiente y sin ayuda con h=5
q= 9.61333236 es el calor disipado con la temperatura ambiente y sin ayuda con h=50
OBSERVACIONES
Entre mayor área, perímetro, longitud y anchura o mejor dicho mayor volumen tenga la aleta
o la sumatoria de aletas tendremos una mayor convección de energía o en estos casos mayor
transferencia de calor.
CONCLUSIÓN
Como conclusión tenemos que entre más diferencia de temperatura tengamos entre la
superficie externa del material y el medio ambiente y entre el material tenga el coeficiente
de transferencia de calor más grande y la sumatoria de las aletas también sea más grande
tendremos más energía de transferencia de convección de la aleta y el medio.
BIBLIOGRAFIAS
http://www.upv.es/upl/U0296617.pdf
https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2012/01/clase-de-aletas.pdf
https://www.fing.edu.uy/iq/cursos/cm2/teorico/Superficie%20extendida.pdf
CALCULO DE CALOR DISIPADO EN ALETAS

19. http://file///C:/Users/Admin/Downloads/Dialnet-
EficienciaDeLasAletasConSeccionTransversalNoUnifor-4902850.pdf
www.fing.edu.uy/if/cursos/fister/modulos/tcalor/clases/tc2.pdf
https://es.scribd.com/doc/24014861/Capitulo-3-6-Aletas#scribd