1.1. Calor: concepto termodinmico de calor.

1.1.1. Concepto bsico de calor

El calor Q es energa en transicin (en movimiento) desde un cuerpo o sistema hasta otro, debido slo a la diferencia de temperatura entre los sistemas. La interaccin ocurre por radiacin o por conduccin, fenmenos cuyos mecanismos se deben comprender en forma elemental. De manera ms sencilla el calor es la forma de la energa que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia en la temperatura y la ciencia que trata de ladeterminacin de las razones de esa transferencia es la transferencia de calor.A pesar de la naturaleza transitoria del calor, ste a menudo es visto en relacin con su efecto sobre el cuerpo hacia o desde el cual se transfiere. De hecho, alrededor de 1930 las definiciones de unidades de calor se basaban en cambios de temperatura de una unidad de masa de agua. As se defini la calora como la cantidad de calor que cuando se transfiere a un gramo de agua aumenta la temperatura de sta un grado Celsius. Por otra parte, la unidad trmica britnica o (Btu), era definida como la cantidad de calor que cuando transfiere a una libra masa de agua aumenta la temperatura de sta un grado Fahrenheit. Aunque estas definiciones proporcionan una idea de la magnitud de las unidades de calor, dependen de los experimentos realizados con agua y, en consecuencia, estn sujetas a cambio a medida que se obtengan mediciones ms exactas. En la actualidad se reconoce a la calora y al (Btu) como unidades de energa, y se definen con respecto al Joule, que es la unidad SI de energa, igual a 1Nm. Este es el trabajo mecnico realizado cuando una fuerza de un newton acta a travs de una distancia de un metro. Todas las dems unidades de energa se definen como mltiplos de joule. El pie-libra fuerza, por ejemplo, equivale a 1.3558179 J, la calora a 4.1840 J y el (Btu) a 1 055.04 J. La unidad SI de potencia es el watt, smbolo W, definida como una rapidez de energa de un joule por segundo.1.1.2. Transferencia de calorEl lector se puede preguntar por qu necesitamos abordar un estudio detallado acerca de la transferencia de calor. Despus de todo, se puede determinar la cantidad de transferencia de calor para cualquier sistema que pase por cualquier proceso, con la solaaplicacin del anlisis termodinmico. La razn es que la termodinmica se interesa en la cantidadde transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio aotro, y no indica cunto tiempo transcurrir.Un anlisis termodinmico sencillamente nos dice cunto calor debe transferirse para que se realice un cambio de estado especfico con el fin de satisfacer el principio de conservacin de la energa. En la prctica tiene ms inters la razn de latransferencia de calor (transferencia de calor por unidad de tiempo) que la cantidad de este ltimo. Por ejemplo, es posible determinar la cantidad de calor transferida de una jarra o termo conforme el caf caliente que esten su interior seenfra de 90C hasta 80C con slo un anlisis termodinmico.Pero a un usuario tpico o al diseador de una de estas jarras le interesa principalmente cunto tiempo pasar antes de que el caf caliente que est en el interior se enfre hasta 80C, y un anlisis termodinmico no puede responder esta pregunta. La determinacin de las razones de transferencia del calor hacia un sistema y desde ste y, por lo tanto, los tiempos de enfriamiento o de calentamiento, as como de la variacin de la temperatura, son el tema de la transferencia de calor(figura 1-1).

Figura 1. 1 Normalmente estamos interesados en cuanto tiempo tarda en enfriarse el caf caliente que est en un termo hasta cierta temperatura, lo cual no se puede determinar slo a partir de un anlisis termodinmico.La termodinmica trata de los estados de equilibrio y de los cambios desde un estado de equilibrio hacia otro. Por otra parte, la transferencia de calor se ocupa de los sistemas en los que falta el equilibrio trmico y, por lo tanto, existe un fenmeno de no equilibrio. Por lo tanto, elestudio de la transferencia de calor no puede basarse slo en losprincipios de la termodinmica. Sin embargo, las leyes de la termodinmica ponen la estructura para la ciencia de la transferencia de calor.

Figura 1. 2 - El calor fluye en la direccin de la temperatura decreciente.En la primeraley se requiere que la razn de la transferencia de energa hacia un sistema sea igual a la razn de incremento de la energa de ese sistema. En la segunda ley se requiere que el calor se transfiera en la direccin de la temperatura decreciente (figura 1-2). Esto se asemeja a un automvil estacionado sobre un camino inclinado que debemoverse hacia abajo de la pendiente, en la direccin que decrezca la elevacin, cuando se suelten sus frenos.

Tambin es anlogo a la corrienteelctrica que fluye en la direccin de la menor tensin o al fluido que se mueve en la direccin que disminuye la presin total.El requisito bsico para la transferencia de calor esla presencia de una diferencia de temperatura. No puede haber transferencia neta de calor entre dos medios que estn a lamisma temperatura. La diferencia de temperatura es lafuerza impulsora para la transferencia de calor, precisamente como la diferencia de tensin es la fuerza impulsora para el flujo de corriente elctrica y la diferencia de presin es la fuerza impulsora para el flujo de fluidos. La velocidad de la transferencia de calor encierta direccin depende de la magnitud del gradiente de temperatura (la diferencia de temperatura por unidad de longitud o la razn de cambio de la temperatura en esa direccin). A mayor gradiente de temperatura, mayor es la razn de la transferencia decalor. 1.1.3. Mecanismos de transferencia de calorYa se ha empleado varias veces la palabra calor, quiz inicialmente en relacin con la temperatura. Como el trabajo, el calor origina cambios en las propiedades microscpicas y segn nuestro punto de vista es una palabra tcnica. La interaccin ocurre por radiacin o por conduccin, fenmenos cuyos mecanismos se deben comprender en forma elemental. En la figura 1.3 se puede ver los tres mecanismos de transferencia de calor.

Figura 1. 3 - Mecanismos de transferencia de calor1.1.3.1. Radiacin

El calor radiante es una emanacin electromagntica; todos los cuerpos radian calor.Si dos cuerpos estn interactuando slo con calor radiante, el cuerpo ms caliente radia ms calor que el que recibe y el cuerpo ms fro radia menos calor que el que recibe. El concepto aceptado de energa radiante proviene de la teora cuntica (o del quantum) de Planck (1858-1947), verificada por completo, que supone que la radiacin se efecta en cantidades o porciones discretas, llamadas fotones o cuantos; la energa de un fotn es , donde es la constante de Planck, y (en s-l) es la frecuencia en ciclos por segundo (hay que recordar de la fsica, que una partcula puede considerarse que tiene propiedades de onda). La radiacin total durante un cierto intervalo de tiempo es un mltiplo de , pero obsrvese que no es una constante, sino que depende de . Puesto que un fotn se mueve a la velocidad de la luz , su longitud de onda correspondiente a una frecuencia particular es , de ah que

(1)Si un sistema radia un cuanto de calor sin recibir nada de energa, el estado permitido de alguna molcula habr cambiado de manera que la energa en la molcula es menor en 1 cuanto que antes, lo cual puede significar que su energa vibracional, por ejemplo, es menor en la cantidad . En este contexto se debe mencionar el espectro total de radiacin. De acuerdo con el modelo de Bohr para un tomo (que consiste en electrones negativos que giran alrededor de un ncleo -o aglomeracin de protones y neutrones- cargado positivamente siguiendo el modelo planetario), el electrn puede moverse slo en ciertas rbitas (lo que es una manera simplificada de decirlo), las cuales son estados permitidos del electrn. Cuando un electrn se mueve desde una rbita hasta otra, el cambio de rbita (ms cualquier otro cambio en la energa del tomo) debe ser tal que la energa del tomo cambie en la cantidad correspondiente a uno o ms fotones.

Cuando el electrn est en su rbita ms pequea se halla en e! estado normal o estable. Si, por colisin con otra partcula o tomo, el electrn se moviera a una rbita mayor, su energa aumentar en mltiplos de, dependiendo la cantidad total para una frecuencia particular de si se mueve hacia la siguiente rbita mayor permitida (1 ), o salta a una rbita an mayor. El tomo con sus electrones por encima de su estado estable se dice que est excitado o en estado de excitacin. Los sistemas con tomos excitados emiten radiacin de muchas longitudes de onda (o frecuencia) diferentes, y los detalles no se tratarn aqu; y el calor radiante, la radiacin que tiene ms inters en este estudio, corresponde a una parte pequea del espectro. Esto se ve a partir de las longitudes de ondas tpicas siguientes indicadas entre parntesis, en metros (la lnea divisoria entre los llamados rayos no est bien definida): rayos csmicos (y menor), rayos gama (), rayos X (), rayos ultravioleta (), luz visible (), radiacin infrarroja o calorfica (7 ), microondas, radar (), televisin, radio de FM ( ), radio de onda corta ( ), radio de AM ( ), y radiocomunicaciones martimas ( ).

Una energa de importancia rpidamente creciente desde el punto de vista del "calentamiento" es la de las microondas, utilizada tambin para destruir grmenes y que tiene posibilidades en la transmisin de potencia. Cuando estas ondas se concentran en soluciones salinas, agua y algunas otras sustancias, las molculas se polarizan y quedan alineadas con el campo elctrico. Pero puesto que los campos de microondas se invierten y alternan rpidamente, las molculas polarizadas oscilan de inmediato (hay vibracin de los tomos) continua y velozmente, lo que significa que su contenido de energa aumenta en forma sbita. Debido a que estas ondas, contrariamente a las infrarrojas ordinarias, penetran muy profundo en algunos slidos con alta intensidad, todo el cuerpo afectado experimenta una repentina elevacin de temperatura. Este fenmeno, como se sabe, est siendo empleado en los hornos de coccin "instantnea" que acta principalmente sobre la molcula deH2O, y cuecen una papa o patata en 5 minutos.

La principal fuente de energa para la Tierra es la energa radiante del Sol, principalmente en la parte infrarroja del espectro, siendo la porcin interceptada por la Tierra obviamente slo una fraccin minscula de la radiacin solar total. Repasando la nocin bsica se ve que, microscpicamente, esta forma de energa de transicin (radiacin) es una consecuencia de las briznas (cuantos) de energa almacenada que salen del sistema, siendo estas porciones tan pequeas y el nmero total de molculas tan grande que, en la escala macroscpica, parecen continuos los cambios en la cantidad de radiacin y en las propiedades del sistema. En comparacin con los metales, los gases son radiadores deficientes. A una temperatura dada todos los cuerpos emiten radiacin en diferentes longitudes de onda, pero la magnitud de sta depende de la temperatura absoluta y de las caractersticas superficiales de dichos cuerpos. Por otra parte, slo se considera radiacin trmica la que se ubica en el rango de longitudes de onda entre 0.1 100 micrones, aproximadamente. Dentro de ese intervalo de espectro electromagntico se ubican el rango ultravioleta, el infrarrojo y el visible. Este ltimo comprende nada ms entre 0.38 y 0.78 micrones. Un radiador perfecto o cuerpo negro es el que emite la mxima cantidad de energa radiante desde su superficie a una razn proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia, es decir.

(2)

Esta ecuacin se conoce como Ley de Stefan-Boltzmann, donde es una constante que adquiere un valor igual a en el SI y que recibe el nombre de constante de Stefan-Boltzmann. De la ecuacin anterior se deduce que la superficie de todo cuerpo negro emite radiacin si se encuentra a una temperatura diferente del cero absoluto, independientemente de las condiciones de los alrededores. Por otra parte, un cuerpo real no satisface las caractersticas de un cuerpo negro, ya que emite una menor cantidad de radiacin. As, el flujo de calor por unidad de rea que emite una superficie real est dado por la expresin:

(3)

Figura 1. 4 - Transferencia de calor por radiacin entre una superficie y la superficie que lo circulan.Donde es una propiedad de la superficie y se denomina emisividad; numricamente es igual al cociente de la emisin de radiacin del cuerpo en estudio con respecto a la de uno negro. Esta propiedad superficial adquiere valores entre cero y la unidad, y constituye una medida para evaluar cun efectivamente emite radiacin un cuerpo real con respecto a uno negro. El calor por radiacin neto intercambiado por un cuerpo negro a una temperatura absoluta , hacia un envolvente a una temperatura que lo rodea por completo y que se comporta tambin como cuerpo negro puede evaluarse con la expresin:

(4)

EJEMPLO

Efecto de la radiacin sobre la comodidad trmica es una experiencia comn sentir escalofro en invierno y bochorno en el verano en nuestras casas, incluso cuando el ajuste del termostato se mantiene igual. Esto se debe al llamado efecto deradiacin, resultante del intercambio de calor por radiacin entre nuestroscuerpos y las superficies circundantes de las paredes y el techo. Considere una persona que est parada en un cuarto mantenido a 22C en todo momento. Se observa que las superficies interiores de las paredes, pisos y el techo de la casa se encuentran a una temperatura promedio de 10C, en invierno, y de 25C, en verano. Determine la razn de transferencia de calor por radiacin entre esta persona y lassuperficies circundantes, si el rea superficial expuesta y la temperatura promedio de la superficie exterior de ella son de 1.4m2 y 30C, respectivamente (figura 1-41)

SOLUCINSe van a determinar las razones de transferencia de calor por ra-diacin entre una persona y lassuperficies circundantes que estn a tempera-turas especficas en verano y en invierno.

Suposiciones

1-Existen condiciones estacionarias deoperacin.2-No se considera la transferencia de calor por conveccin.3-La persona est por completo rodeada por las superficies interiores delcuarto.4-Las superficies circundantes estn a una temperatura uniforme.

Propiedades:La emisividad de una persona es 0.95

Anlisis: Las razones netas de transferencia de calor por radiacin del cuerpo hacia las paredes, techo y piso, en invierno y en verano, son:

Discusin

Ntese que, en los clculos de la radiacin, deben usarse temperaturas termodinmicas(es decir, absolutas). Asimismo, obsrvese que la razn de la prdida de calorde la persona, por radiacin, esaproximadamente cuatro veces ms grande en invierno de lo que es en verano, lo cual explica el fro que sentimos en aquella temporada, incluso si el ajuste del termostato se mantiene igual

1.1.3.2. Conduccin

Figura 1.5 Conduccin de calor a travs de una pared plana grande de espeso y rea El fenmeno de transmisin de calor por conduccin es completamente distinto. En un gas, las molculas de la parte ms caliente se mueven ms rpido que en la parte ms fra; la conduccin en este caso es el proceso de colisin de las molculas con ms rpido movimiento ("ms calientes"), que chocan con las ms lentas y les comunican algo de su energa. (Las colisiones son realmente ms complejas que las de simple respuesta elstica. A medida que las molculas se aproximan entre s la fuerza de atraccin se convierte en fuerza de repulsin.) Una accin de esta especie ocurre tambin en un lquido, donde el movimiento de las molculas es mucho ms restringido. En forma adicional, algo de energa de vibracin de la molcula puede tambin ser comunicada durante una interaccin molecular, pero este tipo de transmisin de energa es ms significativo y eficaz en el caso de los slidos, donde las molculas no se desplazan sino que slo vibran. En la mayor parte de los slidos las vibraciones moleculares en la regin ms caliente, al ser comunicadas a molculas adyacentes, explican la cantidad principal de calor transmitida por conduccin.Sin embargo, en los metales, la mayor parte de la energa se mueve desde la regin ms caliente, y el movimiento de los electrones libres es hacia la parte ms fra. Es por esta razn que la buena conductividad trmica acompaa a la buena conductividad elctrica.

Considere una conduccin de estado estacionario de calor a travs de una pared plana grande de espesor y rea , como se muestra en la figura 1.5. La diferencia de temperatura de uno a otro lado de la pared es . Los experimentos han demostrado que la razn de la transferencia de calor, Q, a travs de lapared se duplica cuando se duplica la diferencia de temperatura de uno a otro lado deella, o bien, se duplica elrea perpendicular a la direccin de la transferencia de calor; pero se reduce a la mitadcuando se duplica el espesor de la pared.

Por lo tanto, se concluye que la razn de laconduccin decalor a travs deuna capa plana es proporcional a la diferencia de temperatura a travs de sta y al rea de transferencia de calor, pero es inversamente proporcional al espesorde esa capa ; es decir

O bien

(5)

Donde la constante de proporcionalidad es la conductividad trmica del material, que es una medida de la capacidad de unmaterial para conducir calor(figura 1-24). En el caso lmite de , la ecuacin que acaba de darse se reduce a la forma diferencial

(6)

La cual se llama ley de Fourier de la conduccin del calor. Aqu es el gradiente de temperatura, el cual es la pendiente de la curva de temperatura en un diagrama T-x. La relacin antes dada indica que la razn de conduccin del calor en una direccin esproporcional al gradiente de temperatura en esa direccin. El calor es conducido en la direccin de la temperatura decreciente y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando esta ltima decrece al crecerx. El signo negativo en la ecuacin garantiza que la transferencia de calor en la direccin xpositiva sea una cantidad positiva .El reaA de transferencia de calor siempre es normal (o perpendicular) a la direccin de esa transferencia.

EJEMPLO: Costo de la prdida de calor a travs de un techo

El techo de una casa calentada elctricamente tiene 6 m delargo, 8 m de ancho y 0.25 m deespesor y est hecha de una capa plana de concreto cuya conductividad trmica es 0.8 W/m C (figura 1-27). Las temperaturas de las superficies interior y exterior se miden como de 15C y 4C, respectivamente, durante un periodo de 10 horas. Determinea) la razn de la prdida de calor a travs del techo esa noche b) el costo de esaprdida de calor para el propietario de la casa, si el costode la electricidad es de 0.08 dlar/kWh.SOLUCIN

Las superficies interior y exterior del techo plano de concreto de una casa calentada elctricamente se mantienen atemperaturas especificadas durante una noche. Se van a determinar la prdida de calor a travs del techo esa noche y su costo.

Suposiciones

1-Existen condiciones estacionarias de operacin durante toda la noche dado que las temperaturas de las superficies del techo permanecen constantes a los valores especificados.2-Se pueden usarpropiedades constantes para el techo.

PropiedadesLa conductividad trmica del techo se da como 0.8 W/m C.

Anlisisa) Ntese que la transferencia de calora travs del techo es porconduccin y que el rea de ste es A=6m x 8m= 48 m2, la razn de la transferencia de calor en estado estacionario a travs del techo sedetermina por

b) La cantidad de prdida de calor a travs del techo durante un periodo de 10 h y su costo se determinan a partir de

Discusin

El costo para el propietario de la casa de la prdida de calor a travs del techo esa noche fuede 1.35 dlares. La factura total por calefaccin de la casa ser mucho mayor ya que, en estos clculos, no se consideran las prdidas de calor a travs de las paredes.

1.1.3.3. Conveccin

Figura 1.6 Transferencia de calor de una superficie caliente hacia el aire por conveccin.Tambin se habla de calor transmitido por conveccin, pero ste es simplemente un transporte de molculas ms energticas de un lugar a otro. Si entra calor a un gas por la parte inferior de su recipiente, la masa de gas ms caliente se expande, se vuelve ms ligera por unidad de volumen, y comienza a ser reemplazada segn movimientos gravitacionales-que dan lugar a la llamada conveccin libre- por las partes ms densas y fras del gas. Desde luego, en forma simultnea, las molculas ms energticas chocan con las de menor energa. Un razonamiento semejante se aplica a los lquidos. En un caso bien conocido, el aire que rodea al hogar de un sistema de calefaccin con aire caliente recibe calor por radiacin y por conduccin. Este aire calentado, siendo ms ligero, se eleva y circula naturalmente por la casa (o es impulsado por un ventilador, originando la llamada conveccin forzada), transfiriendo as energa por radiacin y conduccin que sirve para mantener calientes a la casa y su contenido. Cuando ocurre esta serie de eventos decimos que el calor ha sido transmitido por conveccin, aunque la energa no es calor mientras es transportada por la sustancia, sino slo cuando es absorbida o cedida. En nuestro estudio se considerar la energa de conveccin por medio de las energas asociadas al movimiento de un fluido. Por su naturaleza, no es una propiedad ni una diferencial exacta; por consiguiente, , pero o bien, , lo que significa el calor en el sistema mientras ste pasa por un proceso entre los estados 1 y 2. Una diferencia notable entre trabajo y calor es que el trabajo se puede convertir por completo en calor (o, en el caso ideal, ntegramente en otras formas de energa), pero el calor no puede ser transformado completamente en trabajo en la mquina termodinmica ms perfecta que la mente humana pueda concebir. De un modo ms entendible la conveccin no es que la transferencia de energa entre una superficie slida y el lquido o gas adyacente que est en movimiento y comprende los efectos combinados de la conduccin y el movimiento de fluidos. Entre ms rpido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por conveccin. En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre unasuperficie slida y el fluido adyacente es porconduccin pura. La presencia de movimiento masivo del fluido acrecienta la transferencia de calor entre la superficie slida yel fluido, pero tambin complica la determinacin de las razones deesa transferencia. Considere el enfriamiento de un bloque caliente al soplar aire fro sobre su su-perficie superior (figura 1-6). La energa se transfiere primero a la capa de aire adyacente al bloque, por conduccin. En seguida, esta energa es acarreadaalejndoladela superficie,porconveccin;esdecir, porlosefectos combinados de la conduccin dentro del aire, que se debe al movimiento aleatorio de molculas de ste, y del movimiento masivo o macroscpico de ese aire que remueve el aire calentado cercano a la superficie y lo reemplaza por otro ms fro. La conveccin recibe elnombre de conveccin forzada si el fluido es forzado a fluirsobre la superficie mediante medios externos comoun ventilador, una bomba o el viento. Como contraste, se dice que es conveccin natural (o libre) si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variacin dela temperatura en ese fluido (figura 1.7)

Figura 1.7 Enfriamiento de un huevo cocido por conveccin forzada y conveccin natural.Los procesos de transferencia de calor que comprenden cambio de fase de un fluido tambin se consideran como conveccin a causa del movimiento de ese fluido inducido durante el proceso,como la elevacin de las burbujas de vapor durante la ebullicin o lacada de las gotitas delquido durante la condensacin. A pesar de la complejidad de la conveccin, se observa que la rapidez de la transferencia decalor por conveccin es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa en forma conveniente por la ley de Newton del enfriamiento.

(7)

Donde es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin, en .C o Btu/h-ft2.F, es el rea superficial a travs de la cual tiene lugar la transferencia de calor por conveccin, es la temperatura de la superficie y es la temperatura del fluido suficientemente alejado de esta superficie. Note que en la superficie la temperatura del fluido es igual a la del slido.

Ejemplo: Medicin del coeficiente de transferencia de calor por conveccin

Un alambre elctrico de 2 m de largo y 0.3 cm de dimetro se extiende a travs de un cuarto a 15C, como se muestra en la figura 1-37. Segenera calor en el alambre como resultado de un calentamiento por resistencia y se mide la temperatura de la superficie de esealambre como 152C en operacin estacionaria. Asimismo, se miden la cada de tensin y la corriente elctrica que pasa por el alambre, resultando ser 60 V y 1.5 A, respectivamente. Descartando cualquier transferencia de calor por radiacin, determine el coeficiente de transferencia de calor por conveccin entre la superficie exterior del alambre y el aire que se encuentra en el cuarto.

SOLUCIN

Se va adeterminar el coeficiente de transferencia de calor por conveccin de un alambre calentado elctricamente hacia el aire, midiendo las temperaturas cuando se alcanzan las condiciones estacionarias de operacin yla potencia elctrica consumida.

Suposiciones

1-Existen condiciones estacionarias de operacin, ya quelas lecturas de la temperatura no cambian con el tiempo.2-La transferencia de calor por radiacin es despreciable.

Anlisis

Cuando se alcanzan las condiciones estacionarias de operacin, la razn de la prdida de calor del alambre ser igual a la rapidez de generacin de calor que resultadel calentamiento por resistencia; es decir,

El rea superficial del alambre es

La ley de Newton del enfriamiento para la transferencia de calor por conveccin se expresa como:

Descartando cualquier transferencia de calor por radiacin y, por lo tanto, suponiendo que toda la prdida de calor del alambre ocurre por conveccin, el coeficiente de transferencia de calor por conveccin se determina como

Discusin

Note que el sencillo planteamiento que acaba de describirse se puede usar para determinar coeficientes promedio de transferencia de calor desde diversas superficies en el aire. Asimismo, se puede eliminar la transferencia de calor por radiacin manteniendo las superficies circundantes a la temperatura del alambre.

1.1.4. Mecanismos simultneos de transferencia de calor

Se mencion que existen tres mecanismos de transferencia de calor, pero no pueden existir simultneamente los tres en un medio. Por ejemplo, latransferencia de calor slo ocurre por conduccin en los slidos opacos, pero por conduccin y radiacin en los slidos semitransparentes. Por lo tanto, un slido puede comprender conduccin y radiacin pero noconveccin. Sin embargo, un slido puede presentar transferencia de calor por conveccin y/o radiacin en sus superficies expuestas a un fluido o a otras superficies. Por ejemplo, las superficies exteriores de un trozo fro de rocase calentarn en un medio ambiente ms caliente, como resultado de la ganancia de calor por conveccin (del aire) y la radiacin (delSol o de las superficies circundantes ms calientes). Pero las partes interiores de la roca se calentarn a medida que el calor se transfiere hacia la regin interior de ella por conduccin.

Figura 1.8 Aun cuando se tienen tres mecanismos de transferencia de calor, un medio slo puede comprender dos de ellos simultneamente La transferencia decalor es porconduccin y, posiblemente, por radiacin en un fluido esttico (sin movimiento masivo del fluido) y por conveccin y radiacin en un fluido quefluye. En ausencia de radiacin, la transferencia de calor a travs de un fluido es por conduccin o conveccin, dependiendo de la presencia de algn movimiento masivo de ese fluido. Laconveccin se puede concebir como conduccin y movimiento fluido combinado, y la conduccin en un fluido se puede concebir como un caso especial de conveccin en ausencia de algn movimiento de ese fluido (figura 1.8).

Por lo tanto, cuando se trata con la transferencia de calor atravs de unfluido, se tiene conduccin o conveccin, pero no las dos. Asimismo, los gases son prcticamente transparentes a la radiacin, excepto poralgunos gases que se sabe absorben radiacin con gran fuerza en ciertas longitudes de onda. El ozono, por ejemplo, absorbe intensamente la radiacin ultravioleta. Pero, en la mayor parte delos casos, un gas entre dos superficies slidas nointerfiere con la radiacin y acta de maneraefectiva como el vaco. Por otra parte, los lquidos suelen ser fuertes absorbentes de radiacin .Por ltimo, la transferencia de calor a travs del vaco slo se produce por radiacin, ya que la conduccin o la conveccin requiere de la presencia de un medio material.

REFERENCIAS

LIBRO: TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA.Fundamentos y aplicaciones.Yunus A. Cengel-Afshin J.GhajarCuarta Edicion.Editorial- McGraw-Hill

LIBRO: TRANSFERENCIA DE CALORJos ngel Manrique ValadezSegunda EdicinEditorial-Alfaomega

LIBRO: TERMODINMICAFaires-SimmangSexta Edicin Editorial-UTEHA