Presentacin de PowerPoint

1TRANSMISIN DEL CALORCONDUCCINCONVECCINRADIACIN

AmbientalFsica2Concepto de flujoUna magnitud fsica...ACarcter vectorial...Una superficie...SFlujo de A a travs de la superficieSA

CANTIDADESCALAR

AmbientalFsica3Sentido fsico de distintos tipos de flujoTransporte de partculas: El flujo es el nmero de partculas transportadas por unidad de tiempo

nv xtNNmero de partculas queatraviesan la superficie enel intervalo tSN = nSxx = vtN = nSvt

AmbientalFsica4Flujo de calorEnerga que atraviesa una superficie por unidad de tiempo Potenciahttp://ps1.eis.uva.es/java/carinuri/pagshtml/dcha_ter.htm#FlucalUnidades relacionadas con calorEnergaTiempoPotencia =watiosDensidad de flujoPotencia que atraviesa una superficie por unidad de tiempo y unidad de reaAPotenciareaWatios/m2

AmbientalFsica5Mecanismos de transmisn de calorConduccin: transferencia de energa desde cada porcin de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material.Conveccin: transferencia de energa mediante la mezcla ntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia.Conveccin natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura.Conveccin forzada: la causa del mezclado es un agitador mecnico o una diferencia de presin (ventiladores, compresores...) impuesta externamente.Radiacin: transferencia de energa mediada por ondas electromagnticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fros.

AmbientalFsica6http://www.gcsescience.com/pen5.htm

La conduccin es el nico mecanismo de transmisin del calor posible en los medios slidos opacos.Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la regin de mayor temperatura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre molculas.CONDUCCIN

AmbientalFsica7http://www.jhu.edu/~virtlab/conduct/conduct.htmExperimento virtual de conduccin del calorConduccinLey de Fourier: determinacin del flujo de calor

(Estado estacionario)Calor difundido por unidad de tiempoConductividad trmica (Wm-1grado -1): calor que atraviesa en la direccin x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestosSuperficie (m2): superficie a travs de la cual tiene lugar la transmisin de calorGradiente de temperatura (grados/m): variacin de la temperatura en la direccin indicada por x.X

AmbientalFsica8Conductividades trmicas de algunos materialesa temperatura ambiente

kBuenos conductoresMalos conductoresLa conductividadtrmica cambia conel estado de agregacin... pero la capacidad de transporte de calor no depende slo de la conduccin

AmbientalFsica9http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html

Conductividad trmicarea AEspesorCalor transferido en el tiempo tEJEMPLO 1:CONDUCCIN DEL CALOR (Placa plana)

Integracin de la ecuacin de Fourier

AmbientalFsica10Clculo del flujo de calor a travs del tabique de una habitacin, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 C y 5 C respectivamente. Tmese como valor de la conductividad k = 0.25 Wm-1K -1.

Gradiente de temperaturasDensidad de flujoTfuera xdentro xfueraGradiente de temperaturas constante la temperatura vara linealmente Gradiente de temperaturas constante densidad de flujo constante 0.34 m

Tdentro

AmbientalFsica11Resistencias trmicasCuando el calor se transfiere a travs de una pared aparece una resistencia a la conduccin

xT1T2

Conductividad

Resistencia trmica en W-1m2K Similitud con circuitos elctricos

AmbientalFsica12Ejemplo. Resistencias en serieR1R2Resistencia equivalente = suma de resistenciasEjemploCalclese la resistencia trmica 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 trmicas de los tres materiales son, respectivamente, 0.25, 0.05 y 0.20 W m-1 K-1.

W-1m2K

W-1m2K

W-1m2KResistencias en serie

W-1m2KR1R22103(cm)

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http://scienceworld.wolfram.com/physics/CylinderHeatDiffusion.htmlEJEMPLO 2:CONDUCCIN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERAT1T2abrr

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400 K300 K10 cm0.5

AmbientalFsica153035404550T (C)08:0010:0005:0012:0015:0018:00Altura15 cm30 cm60 cm1.20 m10.0 m2.40 m-2 cm-5 cm-15 cmPerfiles en verano (datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografa Fsica)CONDUCCIN EN SUELOEl suelo tiene una capacidad calorfica alta, entre 0.27 y 0.80 cal/g/C, lo que significa que es un buen acumulador de calor, y una baja conductividad trmica, que hace que la penetracin del calor en el suelo sea lenta, al igual que su enfriamiento.

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Difusividad trmicam2s-1

Calor especfico

AmbientalFsica17Cuando un fluido caliente se mueve en contacto con una superficie fra, el calor se transfiere hacia la pared a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por conveccin natural, por flujo laminar o por flujo turbulento.ConveccinConveccin naturalFlujo laminarFlujo turbulentoConveccin forzada

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AmbientalFsicaCONVECCINLa conveccin es un fenmeno de transporte (materia y energa) que tiene su origen en diferencias de densidad.Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye.Si una capa de material ms fra y ms densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a travs del material fro hasta la superficie.El material ascendente disipar su energa en el entorno, se enfriar y su densidad aumentar, con lo cual se hundir reiniciando el proceso.

http://www.sunblock99.org.uk/sb99/people/KGalsgaa/convect.html

http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node76.html19Ley de enfriamiento de Newton

Temperatura superficialTemperatura del fluido libreCoeficiente deconveccinSuperficie deintercambio T superficial T fluido libreCapa lmiteT

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Valores tpicos del coeficiente de conveccin

AmbientalFsica21DistanciaVelocidadVelocidadDistanciaLaminarTurbulentoPerfiles de velocidad

AmbientalFsica22SuperficieDistribucin de temperaturasDistanciaTemperaturaCapa lmite

T superficie

T fluido libre (regin de temperatura uniforme)

Ley de Newton del enfriamientoPerfiles de temperaturas

AmbientalFsica23http://orpheus.nascom.nasa.gov/~kucera/explore/lessons/convection.html

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AmbientalFsicaViscosidad: propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la deformacinDentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de friccin entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan de esfuerzo cortante (shearing stress) y dependen del gradiente de velocidades del fluido.

Viscosidad dinmicaGradiente develocidad(Pa s=Ns/m2)(1 Pa s = 10 Poise) zc c+dcFA25

Viscosidad cinemtica (m2s-1)Fluidos viscosos friccin entre capas, disipacin energa cintica como calor aportacin de energa para mantener el flujoFluidos viscosos en rgimen laminar friccin entre capas, disipacin como calor existen intercambios de energa entre capas adyacentes de fluido

AmbientalFsica26Flujo laminar y flujo turbulento

Nmero de ReynoldsSi Re < Re CRTICO Rgimen laminarSi Re > Re CRTICO Rgimen turbulentoValores tpicosSuperficie plana: Re CRTICO 510-5 Conducto cilndrico: Re CRTICO 2200

AmbientalFsica27GeometraAsperezaPermeabilidadSubcapa agitadaCapa superficial: flujos verticales prcticamente constantes Capa externaAtmsfera libreDecenas de metros 1 kmDireccin del flujo Factores localesDireccin del flujo Condiciones superficiales y rotacin terrestreDireccin del flujo Gradientes horizontales de P y T, rotacin terrestre

AmbientalFsica28ZXY

RADIACIN

AmbientalFsicaMaterialK (Wm-1K -1)

Vapor de agua0.025

Aire0.026

Agua lquida0.61

Mercurio8.4

Espuma de poliestireno0.036

Papel0.13

Vidrio0.35-1.3

Hielo2.2

Plomo34

Acero45

Aluminio204

Cobre380

h (W(m-2(K-1)

Conveccin libre en aire5-25

Conveccin libre en agua500-1000

Conveccin forzada en aire10-500

Conveccin forzada en agua100-15000

Agua hirviendo2500-25000

Vapor condensando5000-100000