TRANSMISIÓN DEL CALOR

1. Física Ambiental TRANSMISIÓN DEL CALOR • CONDUCCIÓN • CONVECCIÓN • RADIACIÓN

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

3. Física v Número de partículas que atraviesan la superficie en el intervalo t N Ambiental x N = nSvt n 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

4. Física Energía Potencia = Tiempo watios Ambiental A Potencia Área Watios/m2 Flujo de calor Energía que atraviesa una superficie por unidad de tiempo  Potencia Densidad de flujo Potencia que atraviesa una superficie por unidad de tiempo y unidad de área http://ps1.eis.uva.es/java/carinuri/pagshtml/dcha_ter.htm#Flucal Unidades relacionadas con calor

5. Conducción: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material. Mecanismos de transmisón de calor Física Convección natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura. Convección: transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia. Ambiental 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.

6. Física Ambiental http://www.gcsescience.com/pen5.htm CONDUCCIÓN 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.

7. 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 Física X Gradiente de temperatura (grados/m): variación de la temperatura en la dirección indicada por x. Ambiental Calor difundido por unidad de tiempo Superficie (m2): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor Conducción Ley de Fourier: determinación del flujo de calor (Estado estacionario) http://www.jhu.edu/~virtlab/conduct/conduct.htm Experimento virtual de conducción del calor

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

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

10. Física Tdentro Ambiental Tfuera xdentro 0.34 m xfuera 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 Gradiente de temperaturas constante   la temperatura varía linealmente Densidad de flujo Gradiente de temperaturas constante   densidad de flujo constante

11. Física T2 T1 Conductividad Resistencia térmica en W-1·m2·K Ambiental x Resistencias térmicas Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción Similitud con circuitos eléctricos

12. R2 R1 R1 R2 Física Ambiental W-1·m2·K Resistencias en serie 10 3 2 (cm) W-1·m2·K W-1·m2·K W-1·m2·K 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.

13. Física T2 r Ambiental r b a T1 EJEMPLO 2: CONDUCCIÓN EN EL AISLAMIENTO DE UNA TUBERÍA http://scienceworld.wolfram.com/physics/CylinderHeatDiffusion.html

14. Física Ambiental 0.5 10 cm 400 ºK 300 ºK

15. Altura Física 05:00 08:00 10:00 12:00 15:00 2.40 m 10.0 m 1.20 m 60 cm 30 cm 18:00 Ambiental 15 cm -2 cm -5 cm -15 cm T (ºC) 50 45 40 35 30 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. Perfiles en verano (datos: media meses julio y agosto, basado en A. H. Strahler, Geografía Física)

16. Física Calor específico Ambiental Difusividad térmica m2s-1

17. Física Ambiental Convección forzada Convección 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 natural Flujo turbulento Flujo laminar

18. Física Ambiental CONVECCIÓN • La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) 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 más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie. • El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso. http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node76.html http://www.sunblock99.org.uk/sb99/people/KGalsgaa/convect.html

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

20. Física Valores típicos del coeficiente de convección Ambiental

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

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

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

24. z A F Física c+dc c Ambiental 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. Gradiente de velocidad Viscosidad dinámica (Pa · s=N·s/m2) (1 Pa · s = 10 Poise)

25. Física Ambiental Viscosidad cinemática (m2s-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

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

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

28. Física Ambiental X Y Z RADIACIÓN