TRANSFERENCIA DE CALOR

INTRODUCCIÓN

El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo o entre diferentes cuerpos en contacto por medio de transferencia de energía cinética de las partículas.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

dQ x

dT=−kA ∂T

∂ x

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida).

En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

dQdT

=h A s(T s−T inf )

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.

Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta).

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.

La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros.

OBJETIVO GENERAL

En esta práctica se pretende estudiar la transferencia de calor y a través del mismo optimizar la implementación de fuentes de energía alterna.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Descripción de los procesos y mecanismo que dan origen a la transmisión de calor. La variación del coeficiente de convección en función a la temperatura y tiempo. Observar cómo cambia el coeficiente de un proceso a otro. Evaluación de cada proceso en ventajas y desventajas. Construcción de un Calentador con material desechable. Incentivar el uso de fuentes alternas de energía.

DESCRIPCIÓN DEL MATERIAL

Lámina de madera o melanina de 80cm x 60cm y 4 listones con las mismas

medidas

Union de T de PVC de color

Tubería de PVC de Color Unión de codo de PVC de color

Botellas de plástico ( Pet ) Pintura de color mate o negra al aceite.

ESQUEMA

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

El procedimiento para construir el calentador solar es el que se describe a continuación:

Recolectar al menos 30 botellas descartables de gaseosas, todas iguales (importante) y quitarles la etiqueta.

Comprar en una ferretería o negocio, 6 metros de manguera para riego color negro (es importante que sea de ese color) y de ¾ de pulgada de diámetro, 8 uniones “T” y 4 codos, un rollo de teflón y dos llaves esféricas de ¾ de pulgada.

Disponer de un taladro eléctrico y una mecha de copa de ¾ de pulgada. Si no se dispone de esa herramienta, se puede, con paciencia, utilizar un cuchillito tipo sierra de cocina para agujerear las botellas.

Se hace un orificio en la base de cada botella, igual al diámetro del orificio que tiene la botella en el sector donde va la tapa. Una vez hechos los orificios en las botellas, se deben cortar tramos de dos metros cada uno de manguera negra de polietileno. A continuación, se une botella con la otra, insertando el cuello de una en el orificio perforado en la base de otra, para formar una columna de botellas, y luego se introduce un trozo de manguera dentro de la misma. Repitiendo ese paso, se han usado todas las botellas y se dispone de una “parrilla”, que se termina de armar poniendo codos en los extremos y uniones “T” en el medio. Se arma así el colector del calefón como indica la figura.

Se coloca esta parrilla al sol, en un techo de chapa y orientada hacia el Norte, preferentemente, después se introduce agua por la parte inferior. Al cabo de 15 minutos de exposición a los rayos solares, sale por la parte superior agua a unos 45 ó 50 grados, lista para usar.

Se puede agregar un tacho aislado para guardar el agua caliente, para lo cual se utilizan tachos reciclados, que no hayan sido usado para transportar químicos peligrosos. Es ideal el tipo que se usa para la comercialización de aceitunas al por mayor, con el que se puede construir un termo-tanque casero, para que el agua calentada por el sol, durante el día, se pueda utilizar también de noche.

CONCLUSIONES

La aplicación de ciertos conceptos básicos en la vida cotidiana, hacen de que la misma sea meas simple y llevadera, por lo que es de gran necesidad conocer los mismos según nuestras necesidades.

Para de este modo poder comprender de una manera lógica y coherente los diferentes de los que somos dependientes y así direccionar a los mismos un poco más a nuestras necesidades.

Tras la realización del trabajo se observo la falta de interés que se le da a ciertos productos de segunda mano y deshechos, que con un poco de ingenio pueden cumplir una función mas optima que para su creación.

Pero como grupo incitamos a la exploración de nuevos mecanismos, que contemplen el uso de energía no convencional, ya que la misma tiene una gran potencialidad.

BIBLIOGRAFIA

SERWAY, Raymond, “Física para ciencias e ingenierías”, sexta edición, 2004, Estados Unidos.

ZEMANSKY, Mark, “Física Universitaria”, undécima edición, 2004. MENDOZA, Jorge, “Física”, novena edición, 2004, Lima. http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml http://www.mitecnologico.com/im/Main/TransferenciaDeCalor http://biocab.org/Transferencia_Calor.htm