El documento describe los tres mecanismos principales de transmisión de calor: conducción, convección y radiación. La conducción implica la transferencia de energía a través del contacto directo entre moléculas. La convección implica la transferencia de energía a través del movimiento de fluidos. La radiación implica la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. El documento también proporciona ejemplos y fórmulas para calcular la tasa de transferencia de calor a través de estos mecanismos.

2. Concepto de flujo Una magnitud física... A Carácter vectorial... Una superficie... CANTIDAD ESCALAR S Flujo de A a través de la superficie S A  Ambiental Física

3. Sentido físico de distintos tipos de flujo Transporte de partículas : El flujo es el número de partículas transportadas por unidad de tiempo t S N = n  S  x x = v  t n v x N Número de partículas que atraviesan la superficie en el intervalo t N = n  S  v  t Ambiental Física

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#Flucal Unidades relacionadas con calor Densidad de flujo Potencia que atraviesa una superficie por unidad de tiempo y unidad de área Energía Tiempo Potencia = watios A Potencia Área Watios/m 2 Ambiental Física

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. Ambiental Física

6. La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos. Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre moléculas. CONDUCCIÓN http://www.gcsescience.com/pen5.htm Ambiental Física

7. http://www.jhu.edu/~virtlab/conduct/conduct.htm Experimento virtual de conducción del calor Conducción Ley de Fourier : determinación del flujo de calor (Estado estacionario) Calor difundido por unidad de tiempo Conductividad térmica ( W · m -1 ·grado -1 ): calor que atraviesa en la dirección x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestos Superficie ( m 2 ): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor Gradiente de temperatura ( grados/m ): variación de la temperatura en la dirección indicada por x . X Ambiental Física

8. Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente Buenos conductores Malos conductores La conductividad térmica cambia con el estado de agregación ... pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción k Ambiental Física

9. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html EJEMPLO 1: CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana) Integración de la ecuación de Fourier Conductividad térmica Área A Espesor Calor transferido en el tiempo t Ambiental Física

10. Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC respectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0.25 W·m -1 ·K -1 . Gradiente de temperaturas Densidad de flujo Gradiente de temperaturas constante   la temperatura varía linealmente Gradiente de temperaturas constante   densidad de flujo constante T fuera x dentro x fuera 0.34 m T dentro Ambiental Física

11. Resistencias térmicas Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción Similitud con circuitos eléctricos x T 1 T 2 Conductividad Resistencia térmica en W -1 ·m 2 ·K Ambiental Física

12. Ejemplo. Resistencias en serie 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 . R 1 R 2 W -1 ·m 2 ·K W -1 ·m 2 ·K W -1 ·m 2 ·K Resistencias en serie W -1 ·m 2 ·K R 1 R 2 2 10 3 (cm) Ambiental Física

13. http://scienceworld.wolfram.com/physics/CylinderHeatDiffusion.html EJEMPLO 2: CONDUCCIÓN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA T 1 T 2 a b r r Ambiental Física

14. 400 ºK 300 ºK 10 cm 0.5 Ambiental Física

15. 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. 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 Ambiental Física

16. Difusividad térmica m 2 s -1 Calor específico Ambiental Física

17. Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fría, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural, por flujo laminar o por flujo turbulento. Convección Convección natural Flujo laminar Flujo turbulento Convección forzada Ambiental Física

19. Ley de enfriamiento de Newton Capa límite Temperatura superficial Temperatura del fluido libre Coeficiente de convección Superficie de intercambio T superficial T fluido libre  T Ambiental Física

20. Valores típicos del coeficiente de convección Ambiental Física

21. Laminar Turbulento Perfiles de velocidad Distancia Velocidad Velocidad Distancia Ambiental Física

22. Ley de Newton del enfriamiento Perfiles de temperaturas Superficie Distribución de temperaturas Distancia Temperatura Capa límite T superficie T fluido libre (región de temperatura uniforme) Ambiental Física

23. http://orpheus.nascom.nasa.gov/~kucera/explore/lessons/convection.html Ambiental Física

24. Viscosidad : propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la deformación Dentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de fricción entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan de esfuerzo cortante (“shearing stress”) y dependen del gradiente de velocidades del fluido. Viscosidad dinámica Gradiente de velocidad (Pa · s=N·s/m 2 ) (1 Pa · s = 10 Poise) Ambiental Física z c c+dc F A

25. Viscosidad cinemática (m 2 s -1 ) Fluidos viscosos  fricción entre capas, disipación energía cinética como calor   aportación de energía para mantener el flujo Fluidos viscosos en régimen laminar  fricción entre capas, disipación como calor   existen intercambios de energía entre capas adyacentes de fluido Ambiental Física

26. Flujo laminar y flujo turbulento Número de Reynolds Si Re < Re CRÍTICO  Régimen laminar Si Re > Re CRÍTICO  Régimen turbulento Valores típicos Superficie plana: Re CRÍTICO  5  10 -5 Conducto cilíndrico: Re CRÍTICO  2200 Ambiental Física

27. Geometría Aspereza Permeabilidad Subcapa agitada Capa superficial: flujos verticales prácticamente constantes Capa externa Atmósfera libre Decenas de metros  1 km Dirección del flujo  Factores locales Dirección del flujo  Condiciones superficiales y rotación terrestre Dirección del flujo  Gradientes horizontales de P y T , rotación terrestre Ambiental Física

28. RADIACIÓN Z X Y Ambiental Física