CAPITULO 1

CAPITULO 1 La transferencia de energía siempre se produce del medio que tiene la temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja y esa transferencia se detiene cuando ambos alcanzan la misma temperatura. El requisito básico para la transferencia de calor es la presencia de una diferencia de temperatura. No puede haber transferencia neta de calor entre dos medios que están a la misma temperatura.

La diferencia de temperatura es la fuerza impulsora para la transferencia de calor, precisamente como la diferencia de tensión es la fuerza impulsora para el flujo de corriente eléctrica la diferencia de presión es la fuerza im ulsora para el flujo Svip next pase to nut de fluidos. La velocid 5 dirección depende d m (la diferencia de tem atura cambio de la temper temperatura, mayor d calor en cierta te de temperatura ongitud o la razón de mayor gradiente de encia de calor. Se puede considerar la energía interna como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas.

La parte de la energía interna de un sistema que está asociada con la energía cinética de las moléculas se conoce como energía sensible o calor sensible. La velocidad promedio y el grado de

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actividad de las oléculas son proporcionales a la temperatura. Por consiguiente, en temperaturas más elevadas, las moléculas poseen una energía cinética más alta y, como resultado, el sistema tiene una energía interna también más alta. La energía interna también se asocia con las fuerzas que ejercen entre sí las moléculas de un sistema.

Estas fuerzas ligan a las moléculas mutuamente y, como sería de esperar, son más fuertes en los sólidos y más débiles en los gases. Si se agrega energía suficiente a las moléculas de un sólido o de un líquido, vencerán estas fuerzas moleculares y, simplemente, se separarán asando el sistema a ser gas. Éste es un proceso de cambio de fase y, debido a esta energía agregada, un sistema en fase gaseosa se encuentra en un nivel más alto de energía interna que si estuviera en fase sólida o líquida. La energía interna asociada con la fase de un sistema se llama energía latente o calor latente.

Los cambios mencionados en el párrafo anterior pueden ocurrir sin un cambio en la composición química de un sistema. El calor específico se define como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia Suele tenerse interés en dos tipos de calores specíficos: el calor específico a volumen constante, cv, y el calor especifico a presión constante, cp. El calor especifico a volumen constante, cv, se puede concebir como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia mientras el volumen se mantiene constante.

La energía requerida para hacer lo mismo cuando la presión se mantiene constante es el calor específico a presión constante, cp. El calor específico a presión constante, cp, es mayor que cv porque, especifico a presión constante, cp. El calor especifico a presión onstante, cp, es mayor que cv porque, en esta condición, se permite que el sistema se expanda y porque la energía para este trabajo de expansión también debe suministrarse al sistema. Para los gases ideales, estos calores específicos están relacionados entre sí por cp _ cv _ R.

En general, los calores específicos de una sustancia dependen de dos propiedades Independientes, como la temperatura y la presión. Sin embargo, para un gas ideal sólo dependen de la temperatura. A bajas presiones todos los gases reales se aproximan al comportamiento del gas ideal y, por lo tanto, sus alores específicos sólo dependen de la temperatura. Una sustancia cuyo volumen específico (o densidad específica) no cambia con la temperatura o la presión se conoce como sustancia incompresible.

Los volúmenes específicos de los sólidos y los líquidos permanecen constantes durante un proceso y, por lo tanto, se pueden aproximar como sustancias incompresibles sin mucho sacrificio en la exactitud. Los calores específicos a volumen constante y a presión constante son idénticos para las sustancias incompresibles. por lo tanto, para los sólidos y los líquidos, se pueden quitar los subíndices en cv y cp y estos dos alores específicos se pueden representar por un solo s[mbolo, c. Es decir, cp _ cv _ c. Los calores específicos de las sustancias incompresibles sólo dependen de la temperatura. or lo tanto, el cambio en la energía interna de sólidos y líquidos se puede expresar como La ciencia qu 30F cambio en la energía interna de sólidos y líquidos se puede La ciencia que trata de la determinación de las razones de esas transferencias de energía es la 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 ransferencia de calor se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura.

El calor se puede transferir en tres modos diferentes: conducción, convección y radiación. Todos los modos de transferencia de calor requieren la existencia de una diferencia de temperatura y todos ellos ocurren del medio que posee la temperatura más elevada hacia uno de temperatura más baja. CONDUCCIÓN La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de interacciones entre esas 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 a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de los electrones libres. Por ejemplo, llegará el momento en que una bebida enlatada fría en un cuarto cálido se caliente hasta la temperatura ambiente como resultado de la transferencia de calor por conducción, del cuarto hacia la bebida, a través del aluminio.

La rapidez o razón de la conducción de calor PAGF40F cuarto hacia la bebida, a través del aluminio. La rapidez o razón de la conducción de calor a través de un medio depende de la configuración geométrica de éste, su espesor y el material de que esté hecho, así como de la diferencia de temperatura a través de él. Se sabe que al envolver un tanque de agua caliente con fibra de vidrio (un material aislante) se reduce la razón de la pérdida de calor de ese tanque. Entre más grueso sea el aislamiento, menor será la pérdida de calor.

También se conoce que un tanque de agua caliente perderá calor a mayor rapidez cuando se aja la temperatura del cuarto en donde se aloja. Además, entre más grande sea el tanque, mayor será el área superficial y, por consiguiente, la razón de la pérdida de calor. 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 esa capa; es decir, Razón de conducción del calor de temperatura)/ 1. 1 donde la constante de proporcionalidad k es la conductividad térmica del material, que es una medida de la capacidad de un material para conducir calor. En el caso limite de Ax->O, la ecuación que acaba de darse se reduce a la forma diferencial 1. 22 la cual se llama ley de Fourier de la conducción del calor. Aquí, dT/ dx es el gradiente de temperatura, el cual es la pendiente de la curva de temperatura en un diagrama T-x (la razón de cambio de T con respecto a x), en la ubicación x. La relación antes diagrama T-x (la razón de cambio de T con respecto a x), en la ubicación x.

La relación antes dada indica que la razón de conducción del calor en una dirección es proporcional al gradiente de temperatura en esa dirección. El calor es conducido en a dirección de la temperatura decreciente y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando esta última decrece al crecer x. El signo negativo en la ecuación anterior se garantiza que la transferencia de calor en la dirección x positiva sea una cantidad positiva. El área A de transferencia de calor siempre es normal (o perpendicular) a la dirección de esa transferencia.

Conductividad térmica La conductividad térmica de un material se puede definir como la razón de transferencia de calor a través de un espesor unitario del material por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura. La conductividad térmica de un material es una medida de la capacidad del material para conducir calor. Un valor elevado para la conductividad térmica indica que el material es un buen conductor del calor y un valor bajo indica que es un mal conductor o que es un aislante.

En los sólidos la conducción del calor se debe a dos efectos: las ondas reticulares de vibración inducidas por los movimientos de vibración de las moléculas, colocadas en posiciones más o menos fijas de una manera periódica conocida como red cristalina, y la energía transportada por medio del flujo libre de electrones en el sólido. La conductividad térmica de un sólido se obtiene al sumar la componente reticular y la electrón conductividad térmica de un sólido se obtiene al sumar la componente reticular y la electrónica.

Las conductividades térmicas más o menos elevadas de los metales puros se deben principalmente a la componente electrónica. La componente reticular de la conductividad térmica depende con intensidad de la manera en que las moléculas están dispuestas. DIFUSIVIDAD TERMICA Otra propiedad de los materiales que aparece en el análisis de la conducción del calor en régimen transitorio es la difusividad térmica, la cual representa uán rápido se difunde el calor por un material y se define como 1. 3 la conductividad térmica k representa lo bien que un material conduce el calor y la capacidad calorífica rcp representa cuánta energía almacena un material por unidad de volumen. por lo tanto, la difusividad térmica de un material se puede concebir como la razón entre el calor conducido a través del material y el calor almacenado por unidad de volumen. Es obvio que un material que tiene una alta conductividad térmica o una baja capacidad calorífica tiene una gran difusividad térmica. Entre mayor sea la difusividad térmica, más rápida es la propagación el calor por el medio.

Un valor pequeño de la difusividad térmica significa que, en su mayor parte, el calor es absorbido por el material y una pequeña cantidad de ese calor será conducida a través de él. CONVECCIÓN La convección es el modo cia de energía entre una superficie sólida V el lí dvacente que está en liquido o gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección.

En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre na superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura. La presencia de movimiento masivo del fluido acrecienta la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido, pero también complica la determinación de las razones de esa transferencia. A pesar de la complejidad de la convección, se observa que la rapidez de la transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa en forma conveniente por la ley de Newton del enfriamiento como 1. 4 donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, en W/m2 • 0C o Btu/h • ft2 • OF, As es el área uperficial a través de la cual tiene lugar la transferencia de calor por convección, Ts es la temperatura de la superficie y T _ es la temperatura del fluido suficientemente alejado de esta superficie. Note que en la superficie la temperatura del fluido es igual a la del sólido. El coeficiente de transferencia de calor por convección h no es una propiedad del fluido.

Es un parámetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de todas las variables que influyen sobre la convección, como la configuración geométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las propiedades de és eométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las propiedades de éste y la velocidad masiva del mismo. RADIACION La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas.

A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de calor por radiación no requiere la presencia de un medio interventor. De hecho, la transferencia de calor por radiación es la más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en un vacío. ?sta es la manera en la que la energía del Sol llega a la Tierra. La radiación térmica, que es la forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura.

La razón máxima de la radiación que se puede emitir desde una superficie a una temperatura termodinámica Ts (en K o R) es expresada por la ley de Stefan- Boltzmann como (1-25) dondes 5. 67 10 8 0. 1714 10 8 BtWh ft2 • R4 es la constante de Stefan-Boltzmann. La superficie idealizada que emite radiación a esta razón máxima se llama cuerpo negro y la radiación emitida por éste es la radiación del cuerpo negro. La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como (1-26) en donde e es la emisivida icie.

La emisividad cuyo valor está en el intervalo O medida de cuán próxima medida de cuán próxima está una superficie de ser un cuerpo negro, para el cual e _ 1. Otra importante propiedad relativa a la radiación de una superficie es su absortividad a, la cual es la fracción de la energía de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por ésta. Como la emisividad, su valor está en el intervalo O a 1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente sobre él. Es decir, un cuerpo negro es un absorbente perfecto (a 1) del mismo modo que es un emisor perfecto.

En general, tanto e como a de una superficie dependen de la temperatura y de la longitud de onda de la radiación. La ley de Kirchhoff de la radiación afirma que la emisividad y la absortividad de una superficie a una temperatura y longitud de onda dadas son iguales. En muchas aplicaciones prácticas, las temperaturas de la superficie y de la fuente de radiación incidente son del mismo orden de magnitud, y la absortividad promedio de una uperficie se considera igual a su emisividad promedio.

La razón a la cual una superficie absorbe la radiación se determina a partir de (1-27) donde Qincidente es la razón a la cual la radiación incide sobre la superficie y a es la absortividad de la superficie. Para las superficies opacas (no transparentes), la parte de la radiación incidente no absorbida por la superficie se refleja. La diferencia entre las razones de la radiación emitida por la superficie y la radiación absorbida es la transferencia neta de calor por radiación. Si la razón de absorción de la radiación es mayor que la de emisión, s 0 DF 15