Transferencia de calor.

Historia del desarrollo de la teoría del calor.

Siempre se entendió que algo fluye de los objetos calientes a los objetos fríos, por ejemplo cuando están en contacto. En el siglo 18 y el 19, los científicos imaginaban que todos cuerpos contenían un fluido invisible, al cual denominaban calórico.

Al calórico se le asignaban una variedad de propiedades, algunas resultaban inconsistentes con la naturaleza, por ejemplo que tenían peso. Pero la característica más importante es que fluía de cuerpos de los cuerpos calientes a los fríos, era una forma muy útil de pensar acerca de la naturaleza del calor, el flujo de calor todo lo penetra.

El flujo del calor es omnipresente. Está activo en algún grado u otro en todo lugar y momento. El calor fluye constantemente desde su torrente sanguíneo al aire a su alrededor. El aire calentado se aleja de su cuerpo para calentar la habitación en la que se encuentra. Tales procesos continúan en toda la vida vegetal y animal y en el aire que nos rodea. Ocurren en la Tierra, que está caliente en su núcleo y se enfría alrededor de su superficie. El único dominio concebible libre del flujo de calor tendría que ser isotérmico y estar totalmente aislado de cualquier otra región. Sería "muerto" en el sentido más amplio de la palabra, desprovisto de cualquier proceso de cualquier tipo. La fuerza impulsora general para estos procesos de flujo de calor es la refrigeración (o nivelación) de los gradientes térmicos dentro de nuestro universo. Los flujos de calor que resultan del enfriamiento del sol son los procesos primarios que experimentamos naturalmente. El enfriamiento conductivo del centro de la Tierra y el enfriamiento radiado de las otras estrellas son procesos de importancia secundaria en nuestras vidas. Las formas de vida en nuestro planeta necesariamente evolucionaron para coincidir con la magnitud de estos flujos de energía. Pero mientras que el hombre natural está en equilibrio con estos flujos de calor, el hombre tecnológico, ha usado su mente y su voluntad para controlar los flujos de energía que son mucho más intensos que los que experimentamos naturalmente.

En el siglo XIII, la energía que usábamos se extraía indirectamente del sol mediante procesos comparativamente de bajo nivel: energía animal, energía eólica y acuática, y la combustión de la madera. Luego con el crecimiento de la población se comenzó a utilizar las fuentes de energía fósiles La combustión de fuentes de energía fósiles no renovables y más recientemente, la fisión del uranio, ha llevado a emisiones de energía notablemente intensas en los equipos de generación de energía. La energía transferida como calor en un reactor nuclear es del orden de un millón de vatios por metro cuadrado, se necesita invariablemente un complejo sistema de procesos de transferencia de calor y trabajo para reducir estas concentraciones de energía a proporciones humanas. Debemos comprender y controlar los procesos que dividen y difunden los flujos de calor intensos hasta el nivel en el que podemos interactuar con ellos. Para ver cómo funciona esto, considere una situación específica. Supongamos que vivimos en un pueblo donde el carbón se procesa para convertirlo en gas combustible y coque [1]. Dichos suministros de energía solían ser comunes y pueden regresar si los suministros de gas natural alguna vez disminuyen

CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGÍA.

La energía puede existir en numerosas formas como térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear y su suma constituye la energía total E. Las formas de energía relacionadas con la estructura molecular de un sistema y el grado de la la actividad se la conoce como energía microscópica. La suma de todas las formas microscópicas de energía se llaman energía interna de un sistema, y ​​se denota por U .

La unidad internacional de energía es joule [J] o [kilojoule], un1 kJ= 1000 J. En el sistema inglés, la unidad de energía es la unidad térmica británica [Btu], que se define como la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 libra [lbm] de agua a 60 [° F] en un 1 [° F]. Las magnitudes de [kJ] y [Btu] son casi idénticas 1 Btu= 1.055056 kJ. Otra unidad de energía conocida es la [caloría], 1 cal= 4.1868 J, que se define como la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 ° C en 1 ° C.

La energía interna puede verse como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas La porción de la energía interna de un sistema asociado con la energía cinética de las moléculas se llama energía sensible o calor sensible. La velocidad promedio y el grado de actividad de las moléculas son proporcionales a la temperatura. Por lo tanto, a temperaturas más altas, las moléculas poseerán una mayor energía cinética y como resultado, el sistema tiene una energía interna más alta. La energía interna también está asociada con las fuerzas intermoleculares entre las moléculas de un sistema. Estas son las fuerzas que unen las moléculas

Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sin que se produzca un cambio en su estructura molecular , es decir en su estado. La cantidad de calor que es necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad se denomina calor específico.

El calor latente se refiere al calor oculto, es decir que se entrega pero no se nota, por ejemplo el producto de aumento de temperatura como un cambio de fase de hielo a agua líquida y de ésta a vapor. El calor sensible sí se nota, puesto que crece la temperatura de la sustancia, haciendo que se sienta como más caliente, o por el contrario, si se le extrae calor, lo sentimos como más fría.


 




Relación de transferencia de calor a la termodinámica

 La primera ley con trabajo igual a cero.

 El tema de la termodinámica, como se enseña en los programas de ingeniería, hace referencia constante a la transferencia de calor entre los sistemas. La primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado, [3], toma la siguiente forma



Ley de Fourier.

La ley de Joseph Fourier se formuló en 1822 , era una exposición muy completa de la teoría de la conducción de calor. Comenzó su tratado al establecer la ley empírica que lleva su nombre: el flujo de calor, q [W / m^2], de la misma resulta que la conducción térmica es proporcional a la magnitud del gradiente de temperatura y de signo contrario, q, es el flujo de calor y es la tasa de calor por unidad de área y se puede expresar como Q / A, donde A es un área.  [W]=[ joule / segundo]

k es una constante de proporcionalidad

La constante, k, se llama conductividad térmica, obviamente debe tener las dimensiones [W / m.K], o [J / m.s.K], o [Btu / h.ft.⁰F] . El flujo de calor es una cantidad vectorial. La ecuación (1 .8) nos dice que si la temperatura decrece con x, q será positivo y fluirá en la dirección x. Si T aumenta con x, q será negativo, fluirá en la dirección opuesta a x, en cualquier caso, q fluirá desde temperaturas más altas a las más bajas La ecuación (1.8) es la forma unidimensional de la ley de Fourier.

Ejemplo 1.1

El frente de una losa de plomo (k = 35 W / m.K) se mantiene a 110 ° C y la otra pared posterior se mantiene a 50 ° C. Si el área de la losa es de 0.4 m^2 y tiene un espesor de 0.03 m, calcule el flujo de calor, q y la velocidad de transferencia de calor, Q [W/m^2].

SOLUCIÓN. Por el momento, suponemos que dT / dx es una constante

igual a (Tpost - Tfrente / (xpost - xfrente),

Por lo tanto, la ecuacion (1.8) se convierte

q = -35 ((50-110)/0.03) = + 70000 [W / m^2] = 70 kW / m^2

y

Q = q.A = 70 .(0.4) = 28 kW

 

Es conveniente escribir la ley de Fourier en forma escalar simple:

Q = k . (deltaT/L)     (1.9)

donde L es el espesor en la dirección del flujo de calor q y deltaT son ambos escritos como cantidades positivas. Cuando usamos la ecuacion (1.9), debemos siempre recordaremos que q siempre fluye desde altas a las bajas temperaturas.

 

Apéndice

[1] Gasificación del carbón.

La síntesis de gas , es un combustible gaseoso obtenido a partir de sustancias ricas en carbono , como la hulla, carbón, coque, nafta y biomasa, sometidas a un proceso químico a alta temperatura. Posee cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2).

El coque es un combustible que es más eficaz y limpio que el carbón vegetal. Se usa como un combustible, para alimentar las hogueras y demás herramientas que necesiten madera o carbón para funcionar.

El coque se obtiene por un proceso de destilacion destructiva ,calentamiento en ausencia de aire entre los 1000 y 1200 grados centigrados con un tiempo de 15 a 30 horas, eliminando el material volatil de carbones minerales bituminosos que tienen la capacidad de transformarse en coque .

Se hace pasar aire a través de una capa gruesa de gránulos de carbón o de coque incandescente. Si la temperatura es elevada, será mayor la proporción de monóxido de carbono y menor proporción de dióxido de carbono.

C +O2 ----> CO2

C + CO2 ----> 2 CO

Su obtención es haciendo pasar vapor de agua sobre coque a una alta temperatura. Su llama El color azul de la llama se denomina gas azul. Este gas se puede transformar en metanol o alcanos, empleando catalizadores.  La reacción es fuertemente endotérmica por lo que requiere temperaturas muy altas.

C + H2 O ----> C O + H2

[2]Transformaciones a temperatura constante.

Una determinada masa de un gas cualquiera, se encierra en un cilindro cuya tapa es un embolo, como se indica en la siguiente figura,

y dicho embolo puede desplazarse idealmente, sin roce y al mismo tiempo constituye un cierre hermético. Dicho cilindro se instala dentro de un termostato, que es un aparato que impide que la temperatura del gas varié, durante la  experiencia a realizar.

el cilindro con el gas, tiene una escala graduada, de forma que en todo momento se puede conocerse el volumen que ocupa el gas. Sobre el embolo se ejercerse, con una maquina apropiada, una presión que puede variarse durante la experiencia. Por lo tanto, se obtendrá varios estados para la misma masa de gas, con lo que podremos conocer los valores de presión y de volumen, todos a la misma temperatura.

Para un determinado experimento, se obtuvieron los valores que se indican en el siguiente cuadro,

[3]Sistema está cerrado.

En termodinámica, la energía interna de un sistema es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema como un todo debido a campos de fuerza externos. Mantiene en cuenta las ganancias y pérdidas de energía del sistema que se deben a cambios en su estado interno. [1] [2]

La energía interna de un sistema puede cambiarse por transferencia de materia o calor o por trabajo. [3] Cuando la transferencia de materia se previene mediante paredes impermeables, se dice que el sistema está cerrado.




Eduardo Ghershman, 9.1.2018