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18/04/2023
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ACAPULCOIBQ
UNIDAD 2“TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN Y
RADIACIÓN”
Materia: Fenómenos de transporte ll
Profra.: M.C. Catalán Cardeño Yolanda
Equipo 2 Gallardo Rivera Grecia
Guzmán Ozuna Shareny Jahaira
Heredia Rodríguez Andrea Guadalupe
Lozano Arroyo Karla Estefany
Sandoval Leyva Fernando 1
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Objetivo general:
Determinar cómo se lleva a cabo la transferencia de calor por convección y por radiación; permitir el cambio de energía de una fase a otra.
Objetivos específicos: Conocer el mecanismo de la transferencia de calor por convección y por
radiación.
Analizar los fenómenos en la que observamos éstas transferencias de calor cotidianamente.
Determinar las fórmulas para realizar cálculos de cada tipo de transferencia de calor.
Realizar el procedimiento para realizar el cálculo de la transferencia de calor por convección y radiación.
Aplicar lo aprendido en la práctica.
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Las leyes de la Termodinámica tratan de la transferencia de
energía pero sólo se refieren a sistemas que están en
equilibrio.
Permiten determinar la cantidad de energía requerida para
cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro pero no
sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse
estos cambios.
Complementa la primera y la segunda ley, proporcionando los
métodos de análisis que pueden utilizarse para predecir esta
velocidad de transmisión.
INTRODUCCIÓN
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2.1 Transferencia de calor en la interfase. Ley de enfriamiento
de Newton
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TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCION
PARED PLANA
PAREDES PLANAS EN SERIE
CONVECCION
RADIACION
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CONDUCCIÓNEs un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo de los cuerpos,
sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo a mayor
temperatura a otro de menos temperatura que esta en contacto con el primero
Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el
calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la
conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente
proporcional al espesor
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PARED PLANAEl calor fluye en dirección perpendicular a la superficie. Si la conductividad
térmica es uniforme, la integración de la ecuación queda como:
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PARED PLANA EN SERIEEn estado estacionario el flujo de calor a través de todas las secciones debe ser el
mismo. Sin embargo, los gradientes son distintos
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A partir de la ecuación 4.4 se tienen las siguientes relaciones
sustituyendo 4.5 y 4.6 en 4.4
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El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de:
• Densidad• Viscosidad• Velocidad de f lojo• Propiedades térmicas
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CONVECCIÓNCuando un fluido se pone en contacto con una superficie
sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de
intercambio de energía térmica se denomina transferencia
de calor por convección. Hay dos tipos de procesos de
convección: convección libre o natural y convección
forzada.
Donde
transferencia de calor por convección en la interfase líquido-sólido.A área superficial en contacto con el fluido en m2
Ts Temperatura de la superficie , K
Tf, ¥ Temperatura del fluido no perturbado lejos de la superficie transmisora del calor
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RADIACIÓN La energía se transporta en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la
velocidad de la luz. La radiación electromagnética que se considera aquí es la radiación
térmica.
La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de
la temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie. Un radiador perfecto o cuerpo
negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie por unidad de tiempo qr dada
por la ecuación
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LEY DE NEWTON DEL ENFRIAMIENTO
La transferencia de calor está relacionada con los cuerpos calientes y fríos llamados; fuente y receptor, llevándose a cabo en procesos como condensación, vaporización, cristalización, reacciones químicas, etc. en donde la transferencia de calor, tiene sus propios mecanismos y cada uno de ellos cuenta con sus peculiaridades.
La transferencia de calor es importante en los procesos, porque es un tipo de energía que se encuentra en transito, debido a una diferencia de temperaturas (gradiente), y por tanto existe la posibilidad de presentarse el enfriamiento, sin embargo esta energía en lugar de perderse sin ningún uso es su susceptible de transformarse en energía mecánica
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Donde: T = Temperatura de un cuerpo t = tiempo Tm = Temperatura del medio ambiente Procediendo a la solución de la ecuación y separando variables
integrando cada miembro de la ecuación si:
Obtenemos
Y por tanto la ecuación inversa es:
Si:
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2.2 Convección forzada de. Coeficientes de transferencia de calor, medición y
estimación. Flujo laminar y turbulento.
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CONVECCIÓN.
La convección es el
mecanismo transferencia de
calor a través de un fluido
con movimiento masivo de
éste.
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CONVECCIÓN FORZADA.• Se obliga al fluido a fluir mediante
medios externos, como un ventilador o una bomba.
Interna
Externa
Dependiendo del flujo.
Interno
Externo
El fluido fluye por un canal
confinado.
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PROPIEDADES DEL FLUIDO
La viscosidad dinámica m
La conductividad térmica k,
La densidad r.
Se podría considerar que depende de la viscosidad cinemática n,
puesto que n = m /r.
Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están:
•Geometría • Aspereza
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APLICACIONES• La convección forzada se utiliza para procesos industriales de
riguroso control y trabajos de laboratorio como ser horneado,
secado, precalentamiento, curado y todo tratamiento de circulación
de aire.
Horno de cámara de convección forzada.
Incubadora de laboratorio de convección forzada.
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Modo en que la energía se transfiere entre la superficie de un sólido y un fluido adyacente .
El coeficiente conectivo de transferencia de calor es usado para cuantificar la
tasa de transferencia de calor conectiva de o hacia la superficie de un objeto.
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Donde:• Q es la energía neta aplicada al sistema (W).
• H es el coeficiente convectivo de transferencia de calor (W/m2C).
• As es el área (m2) a través de la cual se lleva a cabo la transferencia conectiva de
calor, es decir el área de cuerpo expuesta al fluido.
• Ts es la temperatura de la superficie (C).
• Tf es la temperatura del fluido (C).
Ley de enfriamiento de Newtón
Unidad: W /m2°K.
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FLUJO LAMINAR
Láminas o cortinas de aire que fluyen
paralelas y unidireccionalmente a
una velocidad determinada
El tipo de flujo, laminar o turbulento,
también influye en la velocidad de
transferencia de calor por convección.
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APLICACIÓN
Destinadas a la
manipulación de muestras
patógenas, especialmente
en aquellas en las que
además de la protección
del operario y del ambiente,
se buscaba también la
protección de las muestras
manipuladas.
Cabinas de seguridad biológica.
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FLUJO TURBULENTO
En el flujo turbulento las partículas se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas.
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Cuando el flujo entra en régimen turbulento, se puede presentar el caso de que el conducto sea liso o el caso de que el conducto sea rugoso.
Tubos lisos: Se presentan en
3 subcapas.
Subcapa viscosa
Capa de transición
Subcapa viscosa
El movimiento es primariamente viscoso.
El flujo es turbulento.
Afirma que el flujo turbulento en una tubería esta influenciado por el fenómeno del flujo cercano a la pared.
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Tubos rugosos:Se presentan en dos casos.
La viscosidad no tendrá ningún efecto apreciable sobre el factor de fricción.
Se presenta el régimen de transición.
Aplicaciones
Flujos en conductos
Turbo maquinaria (Turborreactor)
Calderas
Aerodinámica de vehículos
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2.2.1 Convección natural,
coeficientes de transferencia de calor, medición y
estimación
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DEFINICIÓN DE CONVECCIÓN NATURAL
En convección natural el flujo resulta solamente de la diferencia de
temperaturas del fluido en la presencia de una fuerza gravitacional. La
densidad de un fluido disminuye con el incremento de temperatura, en un
campo gravitacional, dichas diferencias en densidad causadas por las
diferencias en temperaturas originan fuerzas de flotación, las fuerzas de
flotación generan el movimiento del fluido
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Algunos ejemplos de calor por convección natural son:
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PRINCIPIOS FÍSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CONVECCIÓN NATURAL
El estudio de la convección natural se basa de dos principios de la mecánica de fluidos: conservación de masa, conservación de momento y del principio de termodinámica que es la conservación de energía
“En una reacción química ordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos”.
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La ley de conservación de la masa, ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier . Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Se puede enunciar como
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El principio de conservación del momento lineal, se trata de una
consecuencia del Principio de Acción Reacción o Tercera Ley de Newton.
El principio de conservación del momento lineal establece que si la
resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo o sistema es nula, su
momento lineal permanece constante en el tiempo.
∑F =0 ⃗ ⇔p = constante⃗El principio de conservación del momento lineal tiene una importante aplicación
en el estudio de fenómenos como choques, explosiones, colisiones, motores a
reacción, etc, sin conocer las causas que los originan, siempre que la resultante de
las fuerzas exteriores sea nula o prácticamente despreciable.
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Las ecuaciones de los principios mencionados se reducen al tomar en
cuenta las siguientes suposiciones:
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En la convección natural se tiene un parámetro llamado
coeficiente volumétrico de expansión termal, ß. Dicho
coeficiente define la variación del volumen cuando se
cambia la temperatura, es decir, la expansión de las
partículas para tener convección natural.
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El número adimensional de Grashof, Gr, que sirve para determinar el coeficiente de conectividad en convección natural.
El número de Grashof es similar al número de Reynolds, es decir,
tienen el mismo significado físico (relación de fuerzas de
movimiento entre fuerzas de resistencia o viscosas); el número de
Grashof es utilizado en convección natural mientras que el
número de Reynolds se emplea en convección forzada.
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A través de los años se ha encontrado que los coeficientes medios de transferencia de calor por convección natural pueden representarse, para diversas situaciones, en la forma funcional siguiente:
Donde el subíndice f indica que las propiedades en los grupos adimensionales se evalúan a la temperatura de película
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SUPERFICIES ISOTERMAS
Los números de Nusselt y Grashof en paredes verticales, se forman
con la altura de la superficie L como longitud característica. La
transferencia de calor en cilindros verticales puede calcularse con
las mismas relaciones de las placas verticales si el espesor de la
capa límite no es grande comparado con el diámetro del cilindro.
El criterio general es que un cilindro vertical puede tratarse como una placa plana vertical cuando
Donde D es el diámetro del cilindro
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CONVECCIÓN NATURAL EN ESPACIOS CERRADOS
Los fenómenos de corrientes de convección natural en el interior de un
espacio cerrado son ejemplos interesantes de sistemas fluidos muy
complejos que pueden dar lugar a soluciones analíticas, empíricas y
numéricas.
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2.3 Transferencia de calor con cambio de fase
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INTRODUCCIÓN• Estudiaremos ahora los mecanismos de transferencia de
calor con cambio de fase, es decir, aquellos donde intervienen la ebullición y la condensación.
• La característica fundamental de estos procesos es la influencia del calor latente de cambio de fase, debido al cual se pueden transferir grandes potencias sin una gran diferencia de temperatura entre la pared y el fluido.
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EBULLICIÓN• La transferencia de calor hacia líquidos de ebullición es un
proceso de convección que comprende un cambio en fase liquido vapor.
• Se ha determinado que existen diferentes regímenes de ebullición en los que los mecanismos de transferencia de vapor actúan diferente, por tanto para su mejor estudio se analizan y estudian los regímenes por separado.
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EBULLICIÓN DE ESTANQUE
• Para explicar este tipo de ebullición se usa un ejemplo de la vida cotidiana; se considera un sistema simple que consiste en una superficie de calentamiento en este caso una estufa, donde se coloca un medio en este caso una tetera, a este fenómeno lo llamamos Ebullición de estanque.
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EBULLICIÓN NUCLEADA
• Conforme aumenta la temperatura de la superficie de calentamiento , se llega a un punto en el que se forma burbujas de vapor y que escapan en la superficie calentada en ciertos lugares conocidos como sitios de
nucleación. • La ebullición nucleada se basa básicamente en el flujo
de calor que aumenta rápidamente al aumenta la temperatura superficial.
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EBULLICIÓN EN CONVECCIÓN FORZADA
• La forma cualitativa de la curva de ebullición en convección forzada es similar a la de ebullición en pileta. El efecto de la convección forzada es aumentar el flujo calórico critico y de Leidenfrost, y aumentar TONB. Sin embargo, no hay influencia de la convección en el régimen de ebullición nucleada.
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CONDENSACIÓN• El fenómeno de condensación ocurre
cuando la temperatura del vapor se reduce a un valor por debajo de la temperatura de saturación.
• En estos casos, se entrega el calor latente y se forma el condensado.
• El calor latente se puede entregar a una superficie fría, mediante condensación homogénea o por contacto.
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CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
• En la condensación pelicular, liquido cae en forma continua por acción de la gravedad; en la condensación en gotas, ´estas se forman en cavidades y crecen, desprendiéndose en forma de avalancha.
• El condensado interpone una resistencia térmica al paso del calor; esta resistencia térmica es menor en el caso de condensación por gotas, obteniéndose mejores coeficientes de transferencia de calor
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RadiaciónRadiación es energía electromagnética que se propaga a través del espacio vacío a la velocidad de la luz (3 x 108 m/s). El tercer mecanismo de transmisión de calor es la radiación en forma de ondas electromagnéticas.
2.4 Transferencia de calor por radiación. Espectro electromagnético, concepto de cuerpo negro y gris. Ley
de Stefan-Boltzmann, emisividad.
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La energía térmica que, por unidad de tiempo, irradia un cuerpo es proporcional al área de la superficie del cuerpo y a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Este resultado, hallado empíricamente por Josef Stefan en 1879, podemos escribirlo de la forma:
Donde I es la potencia irradiada en watt, A el área, e una fracción comprendida entre 0 y 1 llamada emisividad del cuerpo y σ una constante universal llamada constante de Stefan, que tiene valor:
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La ecuación I = eσAT4 fue deducida teóricamente por Ludwig Boltzman unos 5 años más tarde y por eso recibe hoy en día el nombre de ley de Stefan-Boltzmann.
La radiación es un mecanismo de transmisión de energía por parte de un objeto emisor en forma de ondas electromagnéticas. Debido a la radiación térmica los objetos pueden intercambiar calor aunque estén alejados entre sí.
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Ejemplo de radiación electromagnética: Los principales elementos que radian energía en un horno son las llamas luminosas, los gases de la atmósfera del horno y los refractarios.
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Emisividad (ԑ) es una cantidad adimensional definida como el cociente entre la radiación emitida por la fuente real con respecto a la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura, es decir, es una medida de la capacidad de un material para radiar y absorber energía.
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La emisividad y el poder absorbente de las superficies varía con la naturaleza del material y su temperatura, así como con su condición física, es decir, limpieza, rugosidad, etc.
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En general, ԑ es una función de la longitud de onda y de la temperatura, en aplicaciones ingenieriles, la especificación habitual de la emisividad es un único valor para un material determinado. La emisividad es un número comprendido entre 0 y 1, siendo su máximo valor sólo alcanzable por un cuerpo negro.
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La emisividad de los metales es relativamente pequeña, oscilando sus valores entre 0.05m para superficies muy pulidas, y 0.2 ó 0.3, para superficies rugosas. Si la superficie metálica está recubierta por una capa de óxido, la emisividad aumenta considerablemente.
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Los no metales poseen emisividades bastante altas, si bien, en contraste con los metales, sus valores disminuyen al aumentar la temperatura. Así, por ejemplo, la emisividad del grafito alcanza valores próximos a la unidad a temperaturas del orden de 1000°F, de suerte que se comporta casi como un cuerpo negro.
El grafito es, por consiguiente, un buen emisor y absorbente de radiación térmica.
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Ejemplo. La emisividad de la superficie terrestre es la medida de la eficiencia inherente de la superficie para convertir la energía calorífica en energía radiante fuera de la misma.
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Cuando sobre un cuerpo opaco incide radiación, parte de ella se refleja y parte se absorbe. Los cuerpos coloreados reflejan la mayor parte de la radiación visible, mientras que los cuerpos oscuros la absorben en gran parte. La radiación absorbida es proporcional al área de la superficie del cuerpo y a la cuarta potencia de la temperatura en su entorno.
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Consideremos un cuerpo caliente situado en un ambiente a temperatura inferior. El cuerpo emite más radiación que absorbe, por lo que se enfría mientras su entorno absorbe radiación y se calienta. Llegará un momento en que el cuerpo y su entorno alcanzarán la misma temperatura y se encontrarán en equilibrio térmico.
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Entonces, el cuerpo emitirá, por unidad de tiempo, tanta radiación como absorbe. El coeficiente de absorción a deberá, por tanto, ser igual a la emisividad e. La potencia neta irradiada por un cuerpo a temperatura T hacia un entorno a temperatura T0, deberá ser:
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Un cuerpo que absorba toda la radiación que sobre él incida tendrá una emisividad igual a 1 y se denomina cuerpo negro. Un cuerpo negro será también un radiador ideal. Los materiales como el terciopelo negro o el hollín son casi cuerpos negros ideales.
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Llamamos cuerpos grises (acromáticos) a aquellos en los que el factor de reflexión no es cercano a la unidad, presentarán una curva espectral semejante a la del cuerpo negro. De la definición de cuerpo negro se deduce que su factor de reflexión es nulo.
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Por lo tanto, un cuerpo blanco perfecto (difusor perfecto) es aquel que al recibir radiaciones visibles, las refleja en todas las direcciones, sin absorber energía radiante; su factor de reflexión es la unidad para todas las longitudes de onda del espectro visible.
Al igual que no existe el cuerpo negro perfecto, tampoco existe el blanco perfecto, siempre hay absorción de energía incidente por el cuerpo que la recibe.
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Un cuerpo blanco real, será aquel que tiene el mismo factor de reflexión, muy cercano a la unidad, para todas las longitudes de onda visibles.
Para un cuerpo cualquiera (ni blanco ni gris) el factor de reflexión varía para las diversas longitudes de onda.
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La Ley de Stefan-Boltzmann establece que la potencia emisiva de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta de dicha superficie. El límite superior de potencia emisiva lo establece el cuerpo negro. El flujo de calor emitido por cualquier superficie real es menor que el del cuerpo negro a dicha temperatura.
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De acuerdo con la Ley de Stefan-Boltzmann, el flujo radiante de un cuerpo negro (Fn), a una temperatura cinética de Tcin, se expresa por:
Sigma (σ): constante de Stefan Boltzmann. Por ejemplo, si un cuerpo negro tiene una temperatura cinética de 10°C es decir, 283°K, su flujo radiante tendrá un valor de:
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Conclusión:Se logró conocer la aplicación de la transferencia de
calor por convección y radiación, así como distinguir cada una de ellas; su aplicaciones en la misma fase y cuando ocurre el cambio de ésta.
Se consiguió aprender las leyes aplicadas a estos tipos de transferencia de calor, su teoría y su práctica, así como ver algunos ejemplos en donde se muestran los fenómenos de transferencia de calor por convección y radiación.
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BIBLIOGRAFÍA• Incropera, Frank; De Witt, David (1999). Fundamentos de Transferencia de
Calor. Cuarta edición. Editorial Prentice hall• Tipler, Paul (2006). Física preuniversitaria. Volumen I. Editorial Reverté, S.A• FERNÁNDEZ BONO, Juan Fco y MARCO SEGURA, Juan B. Apuntes de Hidráulica
Técnica. Universidad Politécnica de Valencia. Servicio de Publicaciones. 1992. • CULTEK S.L.U Flujo laminar. Enero 2015, de Cultek• Catarina. Transferencia de Calor en Procesado de Alimentos. 2015, de UDLAP • Aplicaciones de Transferencia de Calor Pdf.• Albatros1. (2010). Transferencia de calor (convención). 2011, de Telecable • SOTELO AVILA, Gilberto. Hidráulica General. Volumen 1. Editorial Limusa. 1980.• Tipler, Paul (2006). Física preuniversitaria. Volumen I. Editorial Reverté, S.A.• Incropera, Frank; De Witt, David (1999). Fundamentos de Transferencia de
Calor. Cuarta edición. Editorial Prentice hall.
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Reflexión
“La constancia es la virtud por la que todas las obras dan su fruto.” Arturo Graf
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Gracias por su atención.
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