Este documento presenta conceptos básicos de termodinámica, incluyendo la transferencia de calor por conducción, convección y radiación. Explica que la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada. También define conceptos como sistema, medio ambiente, temperatura, escalas termométricas y leyes de la termodinámica.

1. Docente Camilo Souto Escalona
Docente Cesar Chavarría Castro
Transferencia de Calor
martes, 09 de junio de 2015

2. Nociones deTermodinámica
Es característico que los organismos vivos y
máquinas intercambien energía con su medio
ambiente, en el proceso de convertir la energía
interna en trabajo. Este proceso es detallado por
los fundamentos de la termodinámica.
La Energía Interna es toda la energía de un sistema
asociada a componentes microscópicas. Se define
por algunas variables como el volumen, la
temperatura y la presión.

3. Estructura
C3
C4 Uso del recurso
(Díaz et al 2006)
Cómo observar, analizar y comprender la biodiversidad?
FRIO CALIDO
Adaptación termodinámica
Ramirez, L., 2010

4. Patrones globales
de la biodiversidad

5. Pinhero, S., 2010

8. SISTEMA
Medio Ambiente
Sistema: Porción de la realidad aislada, con temperatura,
presión y volumen definido.
Medio Ambiente: todo lo que rodea el sistema.
La termodinámica considera la relación entre un
sistema, y el medio ambiente que lo rodea. El
medio ambiente es todo lo exterior al sistema
que puede afectar a éste.

9. Escalas termométricas
• La temperatura es una medida del calor o energía térmica
de las partículas de una sustancia.
• Los cambios de temperatura se miden a partir de otros
cambios en las propiedades de una sustancia.
• Por ejemplo, el termómetro de mercurio convencional,
mide la dilatación de una columna de mercurio en un
capilar de vidrio, ya que el cambio de longitud de la
columna se está relacionado con el cambio de temperatura.

10. Esta escala esta basada en el cero absoluto y en el
punto triple del agua.
• La temperatura en el punto triple del agua es
273,15 K
• Esta escala es utilizada por el Sistema
Internacional de unidades y su unidad es el Kelvin
[K]
Punto triple del agua: Punto en donde coexisten en
equilibrio hielo, agua líquida y vapor de agua,
T=0,01 °C (4.58mm Hg)
Escala Absoluta o Kelvin.

11. Celsius, Fahrenheit y Kelvin
• La temperatura en grados Celsius es fijada por
medio del cero absoluto Kelvin
• Otra escala comúnmente utilizada es la
Fahrenheit. Que fija el punto de hielo a 32°F y el de
vapor a 212°F. La relación entre Fahrenheit y
Celsius es:
CF T
5
9
F32ºT 
][º273T Cº CTK 

12. Ley CeroTermodinámica
• Conocido como “EquilibrioTérmico”
Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema
aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere
calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que
ambas se igualan.
Primera Ley de laTermodinámica
• La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede
transformarse de un tipo de energía en otro.
• Conocida como “Principio conservación de la energía”

13. La ecuación para determinar el calor transferido por un
cuerpo se expresa en términos de la masa m, del calor
específico Cp y de su cambio de temperatura:
Transferencia de calor
)(CmQ P if TT 
• ΔQ en J
• m en kg
• Cp en J kg-1 ºC-1
• T en ºC

14. Material
Calor específico
kcal/kg ºC
Agua 1.00
Acero 0.12
Tierra seca 0.44
granito 0.20
Madera de roble 0.57
Ladrillo 0.20
Madera de pino 0.60
Piedra arenisca 0.17
Hormigón 0.16
Mortero de yeso 0.20
Tejido de lana 0.32
Poliestireno
expandido
0.40
Poliuretano
expandido
0.38
Fibra de vidrio 0.19
Aire 0.24
Encarta 2007

15. Existen tres tipos de transferencia de calor
Radiación
Convección
Conducción
Transferencia de calor

16. Transferencia de calor

17. El equivalente mecánico del calor
4,185 J de energía
mecánica elevaban
la temperatura de 1
g de agua de
14,5ºC a 15,5ºC.
Éste valor se
conoce como el
equivalente
mecánico del calor
(una caloría).

19. PRINCIPIOS TRANSFERENCIA DE
CALOR POR CONDUCCIÓN
El proceso de transferencia de energía
térmica más sencillo de describir recibe el
nombre de conducción.
En este proceso, la transferencia de
energía térmica se puede ver en una
escala atómica como un intercambio de
energía cinética entre moléculas, donde
las partículas menos energéticas ganan
energía al chocar con las partículas más
energéticas.

20. Conductividad térmica de los materiales
• La conductividad térmica es una propiedad de los
materiales de conducir el calor a través de ellos. Es
elevada en metales.
• Es baja en los gases (a pesar de que en ellos la
transferencia puede hacerse a través de electrones libres).
• Es muy baja en algunos materiales especiales como la
fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes
térmicos.
• Para que exista conducción térmica hace falta una
sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal.
• Los tejidos del cuerpo son buenos aislantes, por lo que la
temperatura del cuerpo es relativamente uniforme.

21. Conducción de Calor
• La transmisión de energía proveniente de la
diferencia de temperatura entre partes
adyacentes de un cuerpo.
• Mediremos la cantidad de calor que fluye
perpendicularmente a las caras durante un
periodo t
Flujo de CalorT2 T1
T2 >T1
L
Aislante Barra
conductora
Aislada

22. Material K [W/(m K)]
Plata 420
Cobre 400
Aluminio 240
Acero 79
Hielo 1,7
Vidrio. Hormigón 0,8
Agua 0,59
Músculo animal. Grasa 0,2
Madera. Asbestos 0,08
Fieltro. Lana mineral 0,04
Aire 0,024
Pelo 0,019

23. Conducción de Calor
• El flujo de calor depende del
material, de la diferencia de
temperaturas entre los cuerpos en
contacto, espesor del material y del
área de conducción.
T/x es el gradiente de
temperatura.
Q/t es la rapidez de transmisión
de calor.
K constante de proporcionalidad
llamada conductividad térmica.
x
T
A
t
Q





L
TT
Ak
t
Q 12 



si k tiene un valor elevado definimos el material como conductor,
y si k es bajo entonces el material es un aislante térmico

24. Conducción de calor
L
TT
Ak
t
Q 12 



L: es la longitud de la barra,
A: es el área de su sección transversal.
K: es la conductividad térmica
T1: temperatura cuerpo 1
T2: temperatura cuerpo 2
El área A, es el área transversal al flujo de calor. No
siempre es una superficie "plana".
En el caso de los animales, A corresponde al área
de la piel, puesto que a través de ella fluye el calor
desde el cuerpo hacia afuera.

25. •¿Cuál es la velocidad del flujo de
calor a través de un vidrio de ventana
de 0,5 cm de espesor cuando la
superficie exterior está a -5°C y la
interior a 4°C? las dimensiones de la
ventana son 0,7 por 41,5 m
Kvidrio=0,80 [W/m°C]

26. Convección
La transmisión de energía que fluye
debido al movimiento de una sustancia de
un lugar a otro se denomina convección.
La convección puede ser natural o
forzada.
Radiador

27. Convección
Convección natural: se produce por
diferencia de densidades, cuyo origen es
causado por diferencias de temperatura.
Convección Forzada: producida por una
fuerza externa (Ej. Un ventilador)
Circulación por
convección
Energía
Calórica

28. La transferencia de calor por convección se
mide como la tasa de intercambio de calor en
la interfaz entre un fluido y un sólido.
A = área de la interfaz de contacto entre el fluido y el sólido
h = coeficiente de transferencia de calor, W/m2 K
Tm = temperatura media del fluido
Ts = temperatura de la pared sólida
El coeficiente h no es constante, varía dependiendo de la forma
del objeto, volumen, temperatura, etc.
Convección
  TAhTTAh
t
Q
sm 



29. La radiación electromagnética (campo eléctrico y
magnético) viaja a la velocidad de la luz, C=3x108
m·s-1
 
n
C
C o
Donde λ es la longitud de onda, ʋ la
frecuencia de onda de la radiación y n el
índice de refracción del medio.
Radiación

30. Es una propagación de una perturbación de
alguna propiedad de un medio, por ejemplo,
densidad, presión, campo eléctrico o campo
magnético, que se propaga a través
del espacio, transportando energía. El medio
perturbado puede ser de naturaleza diversa
como aire, agua, un trozo de metal o el vacío.
Onda
Frecuencia:  = 1/T [Hz] [s-1]
T = periodo [s]


c


31. Modelo de Planck para la radiación
electromagnética: Radiación compuesta por
fotones sin masa y con energía
hE  Dónde h = 6,62x10-34Js (Constante
de Plank)
Cuerpo Negro: Es un objeto que absorbe toda la radiación
incidente sobre él, independiente de la dirección o longitud
de onda. Es un concepto ideal ya que toda sustancia
refleja parte de la radiación. Sin embargo algunos
materiales como una capa gruesa de carbón absorbe 99%
de la radiación incidente. Un cuerpo negro es también un
emisor perfecto de radiación térmica.
T
T T

32. hE 
Espectros de radiación
electromagnética

33. La ley de Stefan-Boltzmann establece la forma
como un cuerpo radia (emite radiación). La tasa a
la cual un objeto emite energía radiante es
proporcional a la cuarta potencia de su
temperatura absoluta(ºK):
4
TA
t
Q



42
8
106732.5
Km
W
x 

Ԑ= emisividad
0<<1

34. Si un objeto está a una temperatura Tf y sus
alrededores a una temperatura T0, entonces
la energía que pierde por radiación por
unidad de tiempo es:
 4
0
4
f TTA
t
Q





35. a = absortancia
t = transmitancia
r = reflectancia
Propiedades de los materiales o cuerpos,
según como transmitan, reflejen o absorban
radiación:
1 rta
Parte de la radiación absorbida se emite

36. Cuerpo negro: es aquel que absorbe
toda la radiación que llega a su superficie.
Cuerpo gris: es aquel que absorbe la
radiación incidente en igual proporción para
todas las longitudes de onda.
Transferencia de calor por
Radiación

37. EL ELSPECTRO ELETROMAGNETICO SOLAR
La mayor parte de la energía se encuentra para 0,3<λ<2,5 µm

38. Emisividad (): es una medida de la habilidad de
una superficie para emitir radiación. El cuerpo
negro tiene
  1. El cuerpo gris tiene  < 1.
Ley de Stephan-Boltzman
Transferencia de calor por Radiación
negrocuerpoT
A
q 4

griscuerpoT
A
q 4


39. Ejercicio:
La temperatura interna de un
animal es de 35 °C y la temperatura
del ambiente es 20 °C ¿Cuál es la
energía neta perdida por su cuerpo
en 10 min por radiación? Asumir,
factor de emisividad 0,9 y una
superficie de 1,5 m2

40. Es una imagen registrada en una placa o película
fotográfica.
La imagen se obtiene al exponer al receptor de
imagen radiográfica a una fuente de radiación de
alta energía, comúnmente rayos X o radiación
Gamma, procedente de isótopos radiactivos (Iridio
192, Cobalto 60, Cesio 137, etc.).
Al interponer un objeto entre la fuente de radiación y
el receptor, las partes más densas aparecen con
diferentes tonos dentro de una escala de grises, en
función inversa a la densidad del objeto. Por
ejemplo, si la radiación incide directamente sobre el
receptor, se registra un tono negro.
Radiografía

41. rayos X = 0.1 a 10 nm
rayos X = 30·1015 a 3000·1015 Hz
Datos de rayos X

42. Por su atención, muchas gracias.
Cesar Chavarría Castro Camilo Souto Escalona
Ingeniero Matemático Ingeniero Civil Agrícola
martes, 09 de junio de 2015