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TRANSFERENCIA DE
CALOR Y MASA
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICA

Mgt. Santiago Soncco Tumpi
BASICOS
1.1. Introducción
1.2. Termodinámica y
transferencia de calor
1.3. Calor y otras formas de
energía
1.4. Primera ley de la
termodinámica
1.5. Mecanismos de
transferencia de calor
1.6.Mecanismos simultáneos

1.2 TERMODINAMICA Y
TRANSFERENCIA DE CALOR

1.1. INTRODUCCION

Lic. Santiago Soncco Tumpi
La termodinámica trata de los estados de
equilibrio y de los cambios desde un
estado de equilibrio hacia otro. Por otra
parte, la transferencia de calor se ocupa
de los sistemas en los que falta el
equilibrio térmico y, por tanto existe un
fenómeno de NO EQUILIBRIO. Por lo
tanto, el estudio de la transferencia de
calor no puede basarse sólo en los
principios de la termodinámica. Sin
embargo las leyes de la termodinámica
ponen la estructura para la ciencia de la
1.2 TERMODINAMICA Y TRANSFERENCIA DE
CALOR
Mgt Santiago Soncco Tumpi

No puede haber transferencia neta de
calor entre dos medios que están a la
misma temperatura. La diferencia de
temperaturas es la FUERZA
IMPULSORA para la transferencia de
calor.
Así como la diferencia de presión es la
fuerza impulsora para el flujo de fluidos.
CALIENTE
Frio
Transferencia

1.2.1. AREAS DE APLICACIÓN DE
LA TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor desempeñan un
papel importante en las ciencias
aplicadas, así como en el diseño de
aparatos, como los radiadores de
automóviles, colectores solares, sistemas
de calefacción y acondicionamiento de
aire, componentes de las plantas
generadoras de energía eléctrica y
incluso de naves espaciales. El espesor
óptimo del aislamiento de las paredes y
techos de las casas, de los tubos de agua
1.2.1. AREAS DE APLICACIÓN DE LA
TRANSFERENCIA DE CALOR

CUERPO
HUMANO
AVIONES
ALGUNAS AREAS DE APLICACIÓN

RADIADORES
DE AUTOS
SISTEMAS DE
REFRIGERACIÓN

PLANTA DE
ENERGIA
ELECTRICA
SISTEMAS DE
ACONDICIONAMIENTOS
DE AIRE

1.2.2. FUNDAMENTOS
HISTORICOS

El calor siempre se ha percibido como
algo que produce una sensación
fisiológica y se podría pensar que su
naturaleza es una de las primeras cosas
comprendidas por la humanidad.
Hasta mediados del siglo XIX estaba
basado en la teoría del CALORICO
propuesta por el Químico Francés
Antoine Lavoisier.
En 1789, La teoría del calórico afirma
que calor es una sustancia semejante a
un fluido, llamado CALORICO, que
1.2.2. FUNDAMENTOS HISTORICOS

En 1798 estadounidense Benjamín
Thompson demostró en sus estudios que
el calor se puede generar en forma
continua a través de la fricción.
En 1843 el inglés James P. Joule con sus
investigaciones convencieron a lo
escépticos que calor no era una sustancia,
con lo cual pusieron fin a la teoría del
calórico.
Hacia mediados del siglo XIX, se tuvo
una verdadera comprensión física de la
naturaleza del calor. Gracias al desarrollo
de la teoría cinética, en la cual se

1.3. TRANSFERENCIA DE
CALOR EN LA INGIENERIA

En los estudios de ingeniería, es frecuente
que se logre un buen término medio al
reducir los problemas que se presentan en
los diseños, por medio del análisis y
verificando después en forma
experimental.
Como se sabe los intercambiadores de
calor, las calderas, los condensadores, los
radiadores, los calentadores, los hornos,
los refrigeradores, los colectores solares,
etc. están diseñados tomando en cuenta el
1.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA
INGIENERIA

a)CAPACIDAD NOMINAL: Los
problemas de capacidad nominal tratan
de la determinación de la razón de la
transferencia de calor para un sistema
existente a una diferencia especifica de
temperatura.
b)DIMENSIONAMIENTO: Como su
propio nombre indica trata de la
dimensión del tamaño de un sistema
con el fin de transferir calor a una razón
determinada.
Un aparato o proceso de ingeniería

La cantidad deseada se determinan por
medición, dentro de los límites del error
experimental. Sin embargo este
procedimiento es caro, y con frecuencia
impractico. Además, el sistema que se
esta analizando puede incluso no existir.
ii) Procedimiento analítico: (mediante el
análisis o elaboración de cálculos). Tiene
la ventaja de que es rápido y barato, pero
los resultados obtenidos están sujetos a la
exactitud de las suposiciones, de las
aproximaciones y de las idealizaciones

1.4. CALOR Y OTRAS
FORMAS DE ENERGIA

La energía puede existir en numerosas
formas, como térmica, mecánica,
cinética, potencial, eléctrica, magnética,
química y nuclear, y su suma constituye
la energía total de un sistema
Las formas de energía relacionadas con la
estructura molecular de un sistema y con
el grado de actividad molecular se
conocen como energía microscópica. La
suma de todas las formas microscópicas
de energía se llama ENERGIA
1.4. CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGIA

1.4.1. TRANSFERENCIA DE
ENERGIA

La energía se puede transferir hacia una
masa dada o desde ésta, por dos
mecanismos: CALOR (Q) Y TRABAJO
(W). Una interacción energética es una
transferencia de calor si su fuerza
impulsora es una diferencia de
temperatura. De lo contrario, es trabajo.
A la energía térmica llamamos calor y a
la transferencia de energía térmica
llamamos transferencia de calor. La
cantidad de calor transferido durante el
proceso se denota por (Q). La cantidad de

Q
1.4.1. TRANSFERENCIA DE ENERGIA

Cuando se cuenta con la razón de
transferencia de calor, puede
determinarse la cantidad total de
transferencia de calor ( Q ) durante un
intervalo de tiempo a partir de:
dt
Q
Q
t

 

0
Entonces:
t
Q
Q 



La razón de transferencia de calor por
unidad de area perpendicular a la
dirección de esa transferencia se llama
flujo de calor y el flujo promedio de
calor se expresa como.
Donde:
A : es el área de transferencia de
calor
)
/
( 2
m
W
A
Q
q




PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINAMICA
“Si dos sistemas están en
equilibrio térmico con un
tercero, entonces ellos
deben estar en equilibrio
térmico entre sí”
A B
C
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
“Siempre que un sistema incremente su
energía, aparece en otro sistema la
correspondiente disminución de la
misma, lo cual establece una
conservación de la energía”
W
dU
Q d
d +

Calor cedido
al sistema
Q positivo
Energía
Interna
Trabajo realizado
por el sistema
W positivo
1.5. PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
“No es posible ningún proceso
espontáneo cuyo único resultado sea el
paso de calor (energía térmica) de un
objeto a otro de mayor temperatura”.
Enunciado por Clausius.
TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
“Conforme la temperatura de una
sustancia pura se aproxima al cero
absoluto, la entropía de la sustancia se
aproxima a cero”.
“Es imposible extraer calor de un sistema
a una sola temperatura y convertirla en
trabajo mecánico sin que el sistema o los
alrededores cambien de algún modo”.
Enunciado por Planck – Kelvin.
0
0


 K
T
S

RENDIMIENTO O
EFICIENCIA TERMICA ( η )

RENDIMIENTO O EFICIENCIA
TERMICA ( η )
Se define como la relación del trabajo
neto realizado por la maquina térmica
durante un ciclo entre la energía
absorbida a la temperatura mas alta
durante un ciclo.
El rendimiento
térmico es entonces:
%
100
´

h
neto
Térmico
Q
W
h
FOCO CALIENTE
M.T.
FOCO FRIO
Qh
Qc
Wn

1.6.1 BALANCE ENERGETICO

1.6.1 BALANCE ENERGETICO
Del Primer Principio de la Termodinámica, cuando se aplica a un
sistema de masas fijas.
En estado estacionario:













-






sistema
el
en
acumula
se
que
Energía
sistema
del
ganada
Energía
sistema
al
entregada
Energía
U
Q
Q
j
ganado
i
entregado


- 

dt
dU
Q
Q
j
gana
i
entra

- 




 
j
ganada
i
entregada Q
Q

1.6. MECANISMOS DE
TRANSFERENCIA DE
CALOR

La transferencia de energía como calor
siempre se produce del medio que tiene
la temperatura más elevada hacia el de
temperatura más baja, y la transferencia
de calor se detiene cunado los dos
medios alcanzan la misma temperatura.
El calor se puede transferir de tres
modos diferentes: conducción,
convección y radiación. Todos los
mecanismos de transferencia de calor
requieren de la existencia de una
1.6. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE
CALOR

1.6.1. TRANSFERENCIA
DE CALOR POR
CONDUCCIÓN

La conducción es la transferencia de
energía de las partículas más energéticas
de una sustancia hacia las adyacentes
menos energéticas, como resultado de la
interacciones entre las partículas. La
conducción puede tener lugar en los
sólidos, líquidos o gases. En los gases y
líquidos la conducción se debe a las
colisiones y la difusión de las moléculas
durante su movimiento aleatorio. En los
sólidos se debe a la combinación de las
1.6.1. TRANSFERENCIA DE CALOR POR
CONDUCCIÓN

La rapidez o razón de la conducción de
calor a través de un medio depende de la
configuración geométrica y del espesor
del material, así como de la diferencia de
temperatura.

Q
∂x

La razón de la conducción de calor a
través de una capa plana es proporcional
a la diferencia de temperatura a través de
ésta y al área de transferencia de calor,
pero es inversamente proporcional al
espesor de la capa.
La relación de transferencia de calor por
conducción está dada por la ley de
Fourier.
x
T
kA
t
Q


-



(J/s) = W
Donde:
K= Conductividad térmica del
material (w/m °c)
A= Área de la placa (m )
Gradiente de temperatura

1.7.TRANSFERENCIA
DE CALOR POR
CONVECCION

Es el mecanismo mediante el cual se
transfiere calor entre una superficie
sólida y un fluido en movimiento
adyacente a ella. Las corrientes
producidas en el seno del fluido reconoce
dos origines
• Convención natural o libre.
• Convección forzada
Independientemente de que la
convección sea natural o forzada la
cantidad de calor transferida por
convección esta definido por:
1.7.TRANSFERENCIA DE CALOR POR
CONVECCION
hA

Qc  (Tpf – Tf )

Tpf
Corriente
convectiva
Tf

TRANSFERENCIA DE
CALOR POR RADIACIÓN

TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN
σT4 Q
Eλb(T) = =

A
La ecuación que permite
describir exactamente el
comportamiento ideal de
los emisores para un
radiador perfecto o cuerpo
negro será:
Ley de Stefan Boltzmann
σ = 5,7x10-8 W
m2K4
( )
m2
W

La energía radiante neta transferida a la temperatura Ts de un cuerpo real (cuerpo gris)
al medio exterior a la temperatura Tamb será:
( )
4
4
amb
s T
T -

Q

esA
Ts
Tamb
Q

es la emisividad, que es una propiedad del
material de la superficie, esta propiedad
proporciona una medida de la eficiencia con
que una superficie emite energía en relación
con un cuerpo negro.
e :
0  e  1
Para calcular el intercambio de radiación entre dos superficies cualesquiera, primero
debemos introducir el concepto de un factor de forma llamado también factor de
configuración o de apariencia, o factor de emisividad que corrige el comportamiento
de una superficie supuesta negra y la lleva a una situación real. Entonces la cantidad
neta de calor intercambiada por radiación entre dos superficies esta dado por:
( )
4
4
2
1 T
T -

QR

sA Fe

LA/S ENERGIAS RENOVABLES
A medida que una sociedad es más
desarrollada consume más energía. Pero
la energía que se obtiene del carbón, del
petróleo y del gas no se renueva y se va
agotando año tras año.
Lo inteligente es ir aprovechando otras
fuentes de energía que están a nuestro
lado: viento, sol, residuos, etc las cuales
son renovables año tras año, no se
agotan y además no contaminan el

LAS ENERGIAS RENOVABLES
A medida que una sociedad es más
desarrollada consume más energía. Pero
la energía que se obtiene del carbón, del
petróleo y del gas no se renueva y se va
agotando año tras año.
Lo inteligente es ir aprovechando otras
fuentes de energía que están a nuestro
lado: viento, sol, residuos, etc las cuales
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