lunes, 2 de marzo de 2009

transferencia de calor por conduccion

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor.
Ley de Fourier
Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
Sea J la densidad de corriente de energía (energía por unidad de área y por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura.
Siendo K una constante característica del material denominada conductividad térmica.
Figura 1 Elemento diferencial que transfiere calor por conducción
Consideremos un elemento de la barra de longitud dx y sección S. La energía que entra en el elemento de volumen en la unidad de tiempo es JS, y la que sale es J’S. La energía del elemento cambia, en la unidad de tiempo, en una cantidad igual a la diferencia entre el flujo entrante y el flujo saliente.
Esta energía, se emplea en cambiar la temperatura del elemento. La cantidad de energía absorbida o cedida (en la unidad de tiempo) por el elemento es igual al producto de la masa de dicho elemento por el calor específico y por la variación de temperatura.
Igualando ambas expresiones, y teniendo en cuenta la ley de Fourier, se obtiene la ecuación diferencial que describe la conducción térmica
Solución analítica
Supongamos una barra metálica de longitud L, conectada por sus extremos a dos focos de calor a temperaturas Ta y Tb respectivamente. Sea T0 la temperatura inicial de la barra cuando se conectan los focos a los extremos de la barra.
Figura 2 Barra metálica expuesta a un gradiente de temperatura.
Al cabo de cierto tiempo, teóricamente infinito, que en la práctica depende del tipo de material que empleamos, se establece un estado estacionario en el que la temperatura de cada punto de la barra no varía con el tiempo. Dicho estado está caracterizado por un flujo J constante de energía. La ley de Fourier establece que la temperatura variará linealmente con la distancia x al origen de la barra.
La temperatura en cualquier punto x a lo largo de la barra, en un instante determinado, T(x, t) es la solución de la ecuación diferencial, que es una combinación de dos términos, la que corresponde al régimen permanente más la del régimen transitorio.
Las condiciones de contorno, es decir, la temperatura T0 en el instante inicial (t=0), y las temperaturas en los extremos Ta (para x=0) y Tb (para x=L) que permanecen invariables, nos permiten obtener los valores de los coeficientes kn
Para n par
Para n impar

Así, la temperatura en cualquier punto de la barra x, en un instante t, se compone de la suma de un término proporcional a x, y de una serie rápidamente convergente que describe el estado transitorio.
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.
La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la substancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.
Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo 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, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.
En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.
Coeficientes λ para distintos materiales

Acero
47-58
Corcho
0,04-0,30
Mercurio
83,7
Agua
0,58
Estaño
64,0
Mica
0,35
Aire
0,02
Fibra de vidrio
0,03-0,07
Níquel
52,3
Alcohol
0,16
Glicerina
0,29
Oro
308,2
Alpaca
29,1
Hierro
1,7
Parafina
0,21
Aluminio
209,3
Ladrillo
0,80
Plata
406,1-418,7
Amianto
0,04
Ladrillo refractario
0,47-1,05
Plomo
35,0
Bronce
116-186
Latón
81-116
Vidrio
0,6-1,0
Cinc
106-140
Litio
301,2
Cobre
372,1-385,2
Madera
0,13


La tabla que se muestra a la derecha de este texto se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (λ) representa la cantidad de calor (energía) necesaria por unidad de tiempo medida en vatios por metro cuadrado de superficie que debe atravesar en forma perpendicular, para que atravesando durante la unidad de tiempo, un espesor de 1 m de material homogéneo se obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre sus dos caras. Todo ello en un sistema que se encuentra en estado estacionario o sea donde el campo de temperaturas no varía a lo largo del tiempo. La conductividad térmica se expresa en unidades de W/m·K (J/s · m · °C).
La conductividad térmica también puede expresarse en unidades de British thermal units por hora por pie por grado Fahrenheit (Btu/h·ft·ºF). Estas unidades pueden transformarse a W/m·K empleando el siguiente factor de conversión: 1 Btu/h·ft·ºF = 1,731 W/m·K.

15 comentarios:

  1. bueno mas que nada una gran disculpa pues no habia podido crear el blog jejejejeje pero pues ahi esta para que el prfe pueda subir las clificaciones

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  2. en este tema se trato de al conduccion en los materiales marcando cietos materiales que son mejor conductor del calor que otros y nos dimo scuenta que la formulas se parecen alas de electronica

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  3. Nos marca los materiales buenos en conduccion del calor en los solidos y otros que son considerados como aislantes termicos, como la fibra de vidrio, hay cierta similitud en los buenos conductores electricosy los del calor. los cual esnecesario conocer para aplicaciones especiales en nuestra carrera

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  4. Al momento de sujetar una varilla caliente o algun tubo en general yo creo que pensamos en soltarlo por que nos quema antes de pensar el porque del calentamiento. es bastante sorprendente como un objeto como el ladrillo inclusive aunque sea poco conduce calor debido a su conductividad termica.

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  5. Fernando Fernandez
    Parte de esto o la mayoria de nosotros ya conocemos a grandes rasgos este tema pero por medo de el instinto que cada ersona tiene, por logica sabemos lo que significa calor or medio de conduccion si alguna vez alguien se quemo por tocar un metal sabra que a la otra lo agarrara de mas atras dode el calor no se ha transmitido o tambien se ve en los mangos de las placas de tortillas o en algunos sartenes de cocina que esta aislado para que no pasen accidentes . Te la aventate sin canion solo con la laptop y traias muuy buena informacion

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  6. es importante saber las bases sobre la transferencia de calor por conduccion, el calor fluye desde la parte calente a la fria independientemente del material este principio se cumple. esto nos puede ayudar a detrminar el material del que se baya a construir algun elemnto en el que interbenga el calor se deben tomar en cuenta las propiedades del material a utilizar

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  7. Joel Ramírez v....
    El calor en los solidos se propaga por conducción.
    los materiales que son buenos conductores eléctricos también son buenos conductores del calor, y cada material tiene una capacidad de conducir el calor a través de ellos.
    es importante saber la lista de coeficientes de conductividad termica para escojer el material que mejor conduce en algun proyecto.

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  8. A mi parecer es un tema sencillo durante el paso de nuestra carrera en algunas materias se nos ha hablado sobre la conduccion principalmente en las materias de electronica nuestro compañero solo nos hablo de que el calor tambien entra en este concepto de la conduccion y nos habla de uno de los personajes que nos ayuda para comprender un poco mas sobre la conduccion termica me refiero a Fourier y nos menciona los coeficientes de conduccion de algunos materiales

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  9. en este tema se hablo sobre la conduccion de calor de algunos materiales, ya que en nuestra carrera es de gran ayuda para la fabricacion de algunas cosas, con la tabla que se mostro ayuda a saber la conduccion de cada material.

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  10. En este tema nos da a conocer los materiales que son buenos en conduccion del calor en los solidos y tambien en otros que son considerados como aislantes termicos, ejemplo como la fibra de vidrio.hay cierta similitud en los buenos conductores electricos y los de calor. los cual es necesario conocer las aplicaciones en nuestra carrera y para el proyecto que tenemos que realizar asi para dar a conocer el tipo de material que se requiere para dicha elavoracion.

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  11. En este tema lo mas importante fue conocer que cada material tiene una capacidad de conducir el calor a través de ellos y que el calor en los solidos se propaga por conducción. Tambien es importante conocer los diferentes coeficientes de conductividad termica de cada material que en esta informacion se nos menciona ya nos seran de gran utilidad.

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  12. En esta exposicion aprendi que la conduccion es la unica forma de transferencia en los solidos, y que la ley de Fourier dice que cuando se conduce el calor por un cuerpo por su seccion transversal es equivalente a la temperatura que existe en ese cuerpo, tambien aprendi que la conductividad termica es una propiedad intrinseca de los materiales que conduce en calor atraves de ellos y que el valor de la conductividad puede variar de acuerdo a las temperaturas en que se encuentre el material y existen unos que van a ser mejores conductores que otros, los mejores conductores seran los metales, otros materiales como la fibra de vidrio sirve como aislante, esto me va a servir para ver que materiales tengo que utilizar para diseñar el intercambiador de calor para ver cuales me pueden servir mejor como conductores debido a las especificaciones que se me pidan.

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  13. el tema es sencillo, dice que que la conduccion es la unica forma de tranferencia de calor en los solidos.
    y que es importante conocer los diferentes coeficientes de conductividad termica de los materiales, de gran ayuda en la construccion de un intercambiador de calor

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  14. Este tema es algo cotidiano de la vida aunque es importante conocerlo con mas detalle con el fin de tener un mejor conocimiento en el momento de hacer experimentos de transferencia de calor que en este caso sera por conduccion el cual nos dice que es la unica forma de conduccion en un solido y va de la parte caliente a la fria de un metal por ejemplo.
    Si quisieramos aplicar esto al disenio del intercambiador entonces tenemos que estar consiente que la sustancia que manejaremos entrara a una temperatura en la que el fluido caliente y conducira el calor en forma de conduccion a los tubos de metal.
    La ley de Fourier de igual manera es importante que la conoscamos pues asi podremos saber que dependiendo de la temperatura la velocidad de la conduccion aumentara o disminuira segun sea el caso.
    Los coeficientes que nos diste(que son de distintos materiales) podran sernos de ayuda en un futuro pues como dijo el profesor una vez, estos blogs nos servieran para en un futura encontrar alguna informacion que pudieramos necesitar.

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  15. creo que este tema es muy importante y de alguna manera todos lo hemos presenciado el nuestra vida comun.

    es muy bueno saber de manera ya mas teoricamente como se presenta este proceso, en que materiles ocurre y con que caracteristicas.

    la informacion estuvo a mi parecer muy completa y muy explicita, ya que nos diste los conceptos mas importantes, algunos ejemplos de este proceso y algunas caracgteristicas de los materiales como son la tabla de coeficientes de calor para diferentes materiales.

    buen trabajo

    gracias

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