El documento describe los diferentes mecanismos de transferencia de calor que experimenta una persona en una habitación: convección con el aire, radiación con las superficies circundantes y la suma de las dos cantidades que representa la tasa total de transferencia de calor. Se calculan las tasas de transferencia de calor por convección y radiación usando ecuaciones que involucran la temperatura de la piel, ropa, aire y superficies. La ropa sirve como barrera aislante contra la transferencia de calor.

1. ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
96
dad de área superficial (m2) por unidad de diferencia de temperatura (en K
o °C) entre la persona y el aire en la lejanía de ésta. De modo que la tasa
de transferencia de calor por convección desde la persona hacia el aire de la
habitación se obtiene de la ecuación 2-53,
La persona también perderá calor por radiación hacia las superficies de
las paredes circundantes. Para simplificar, considere las temperaturas de las
superficies de las paredes, el techo y el piso iguales a la temperatura del aire,
pero observe que esto no es necesariamente correcto, ya que estas superficies
pueden hallarse a una temperatura mayor o menor que la temperatura prome-
dio del aire de la habitación, dependiendo de las condiciones exteriores y de
la estructura de las paredes. Si se considera que el aire no interviene con la
radiación y que la persona está completamente encerrada por las superficies
que la rodean, la tasa neta de transferencia de calor por radiación del cuerpo
a las paredes circundantes, el techo y el piso, de acuerdo con la ecuación
2-57, es
Observe que deben usarse temperaturas absolutas en los cálculos de radia-
ción y que se utilizó el valor de emisividad para piel y ropa a temperatura
ambiente, porque se espera que esta propiedad no cambie de manera consi-
derable a una temperatura ligeramente más alta.
Así, la rapidez de transferencia de calor total del cuerpo se determina al
sumar estas dos cantidades, lo que da como resultado
La transferencia de calor sería mucho mayor si la persona no hubiera estado
vestida, pues la temperatura de la superficie expuesta sería mayor. Por esto
la ropa cumple con una importante función: servir como una barrera aislante
contra la transferencia de calor.
Comentario En los cálculos anteriores se ignoró la transferencia de calor por
conducción que se da de los pies hacia el suelo, que suele ser muy pequeña.
Tampoco se consideró la transferencia de calor desde la piel a través de la
transpiración, que es el modo dominante de transferencia de calor en ambien-
tes calientes.
Qcond
·
29°C
20°C
Qrad
·
Qconv
·
Aire de la habitación
FIGURA 2-77
Transferencia de calor desde una perso-
na, descrita en el ejemplo 2-19.
La suma de todas las formas de energía de un sistema se llama
energía total, que consta de las energías interna, cinética y
potencial para sistemas simples compresibles. La energía
interna representa la energía molecular de un sistema y puede
existir en las formas sensible, latente, química y nuclear.
El flujo másico m
.
se define como la cantidad de masa que
fluye por una sección transversal por unidad de tiempo, y se
relaciona con el flujo volumétrico V
.
, el cual es el volumen de
un fluido que fluye por una sección transversal por unidad de
tiempo, mediante
m
#
rV
#
rAt Vpromedio
La tasa de flujo de energía relacionada con un fluido que fluye
a una tasa de m
.
es
RESUMEN
Q
#
total Q
#
conv Q
#
rad 86.4 81.7 168.1 W
81.7 W
10.952 15.67 10 8
W>m2 # K4
2 11.6 m2
2 3 129 27324
120 27324
4K4
Q
#
rad esA1T 4
s T 4
entorno2
86.4 W
16 W>m2 # °C2 11.6 m2
2 129 202 °C
Q
#
conv hA1Ts Tf 2
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2. CAPÍTULO 2
97
que es análoga a E ϭ me.
La energía mecánica se define como la forma de energía
que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de
modo directo mediante un dispositivo mecánico como puede
ser una turbina ideal. Se expresa por unidad de masa como
emecánica ϭ
P
r
ϩ
V 2
2
ϩ gz
y
E
#
mecánica ϭ m
#
emecánica ϭ m
#
a
P
r
ϩ
V 2
2
ϩ gzb
donde P/r es la energía de flujo, V2/2 es la energía cinética y
gz es la energía potencial del fluido por unidad de masa.
La energía puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado
en la forma de calor o trabajo. Para los volúmenes de control,
la energía se puede transportar también mediante la masa. Si
la transferencia de energía se debe a una diferencia de tempe-
ratura entre un sistema cerrado y el exterior, es calor; de lo
contrario, es trabajo.
El trabajo es la energía transferida cuando una fuerza actúa
sobre un sistema a lo largo de una distancia. Varias formas de
trabajo se expresan como sigue:
Trabajo eléctrico:
Trabajo de flecha: Wflecha ϭ 2pnT
Trabajo de resorte: Wresorte ϭ
1
2
k1x2
2 Ϫ x2
1 2
La primera ley de la termodinámica es en esencia una
expresión del principio de la conservación de la energía, cono-
cido también como balance de energía. El balance de masa
y energía generales para cualquier sistema que experimenta
cualquier proceso se puede expresar como
Transferencia neta de energía Cambio en las energías interna,
por calor, trabajo y masa cinética, potencial, etcétera
Eentrada Ϫ Esalida ϭ ¢Esistema 1kJ2
⎫
⎪
⎪
⎬
⎪
⎪
⎭
⎫
⎪
⎬
⎪
⎭
También se puede expresar en la forma de tasa como
Tasa de transferencia neta de energía Tasa de cambio en las energías
por calor, trabajo y masa interna, cinética, potencial, etcétera
E
.
entrada Ϫ E
.
salida ϭ dEsistema >dt 1kW2
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎬
⎪
⎪⎪
⎪
⎭
⎫
⎪
⎪
⎬
⎪
⎪
⎭
Las eficiencias de varios dispositivos se definen como
hturbina-generador hturbinahgenerador
W
#
eléctrica,salida
¢E
#
mecánica,fluido
hbomba-motor hbombahmotor
¢E
#
mecánica,fluido
W
#
eléctrica,entrada
hgenerador
Salida de potencia eléctrica
Entrada de potencia mecánica
W
#
eléctrica,salida
W
#
flecha,entrada
hmotor
Salida de potencia mecánica
Entrada de potencia eléctrica
W
#
flecha,salida
W
#
eléctrica,entrada
hturbina
W
#
flecha,salida
0¢E
#
mecánica,fluido 0
0 0
W
#
turbina
W
#
turbina,e
hbomba
¢Emecánica,fluido
W
#
flecha,entrada
Wbomba,u
W
#
bomba
La conversión de energía de una forma a otra está asociado
con frecuencia con efectos adversos en el medio, y el impacto
ambiental debe ser una consideración importante en la conver-
sión y utilización de energía.
1. ASHRAE, Handbook of Fundamentals, versión SI, Atlan-
ta, GA, American Society of Heating, Refrigerating, and
Air-Conditioning Engineers, Inc., 1993.
REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS
2. Y. A. Çengel, “An Intuitive and Unified Approach to Tea-
ching Thermodynamics”, ASME International Mechanical
Engineering Congress and Exposition, Atlanta, Georgia,
AES-Vol. 36, pp. 251-260, 17-22 de noviembre, 1996.
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m
#
e
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