Transferencia de calor.

 Siempre se entendio que algo fluye de los objetos calientes a los objetos frios, por ejemplo cuando estan en contacto.

En el siglo 18 y el 19, los cientificos imaginaban que todos cuerpos contenian un fluido invisible, al cual denomiban calorico.

Al calorico se le asignaban una variedad de propiedades, algunas resultaban inconsistentes con la naturaleza, que tenian peso y que no se podian crear o anular. Pero la caracteristica mas importante es que fluia de cuerpos de los cuerpos calientes a los frios, era una forma muy util 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 por toda 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(1), ha usado su mente y su voluntad para controlar los flujos de energía que son mucho más intensos que los que experimentamos naturalmente. Para enfatizar este punto sugerimos que el lector haga un experimento.

Experimento 1.

Genere la mayor cantidad de energía que pueda, de alguna manera que le permita medir su propia producción de trabajo. Puede levantar un peso o subir su propio peso por una escalera contra un cronómetro. Exprese el resultado en vatios (W). Por lo general, deben ser inferiores a 1 kW o incluso 1 caballo de fuerza (746 W). Cuánto menos podría ser sorprendente.

Por lo tanto, cuando hacemos algo tan pequeño como activar una bombilla de luz de 150 W, estamos manipulando una cantidad de energía sustancialmente mayor que la que un ser humano podría producir con un esfuerzo sostenido. La energía consumida por un horno, tostadora o calentador de agua es un orden de magnitud más allá de nuestra capacidad. La energía consumida por un automóvil puede ser fácilmente tres órdenes de magnitud mayor. Si todas las personas en los Estados Unidos trabajaran continuamente activamente, apenas podrían igualar la producción de potencia de una sola central eléctrica de la ciudad. Nuestro voraz apetito de energía ha impulsado constantemente la intensidad de los procesos reales de transferencia de calor hacia arriba hasta que son mucho mayores que los que normalmente están involucrados con las formas de vida en la tierra.

 

En el siglo XIII, la energía que usabamos se extraía indirectamente del sol mediante procesos comparativamente de bajo nivel: energía animal, energía eólica y acuática, y la combustión de la madera. Luego, el crecimiento de la población y la deforestación llevaron a los ingleses a usar carbón. A fines del siglo XVII, Inglaterra se había convertido casi por completo en carbón en lugar de madera. A finales del siglo XVIII, se desarrollaron las primeras máquinas de vapor comerciales, y eso preparó el escenario para un enorme aumento en el consumo de carbón. Europa y América siguieron a Inglaterra en estos desarrollos

El desarrollo de las fuentes de energía fósiles se parece un poco a la descripción de Julio Verne en La vuelta al mundo en ochenta días, en la que, para ganar una carrera, una tripulación quema el interior de un barco para alimentar la máquina de vapor. 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.

Vamos a enumerar algunos de los problemas de transferencia de calor del proceso que deben resolverse antes de que podamos beber un vaso de té helado,

Una variedad de procesos de transferencia de calor de alta intensidad están involucrados con la combustión y la reacción química en la propia unidad de gasificación.

El gas pasa por varios procesos de limpieza y la entrega a tubería para llegar a nuestras estufas. Los procesos de transferencia de calor involucrados en estas etapas generalmente son menos intensos.

El gas se quema en la estufa. El calor se transfiere de la llama al fondo de la tetera. Si bien este proceso es pequeño, es intenso porque la ebullición es una forma muy eficaz de eliminar el calor

El coque se quema en una planta de energía de vapor. Las tasas de transferencia de calor desde la cámara de combustión a la caldera y desde la pared de la caldera al agua al interior, son muy intensas

El vapor pasa a través de una turbina donde está involucrado con muchos procesos de transferencia de calor, incluida cierta condensación en las últimas etapas. El vapor agotado se condensa en una variedad de dispositivos de transferencia de calor

El enfriamiento se proporcionará en cada etapa del sistema de suministro eléctrico, el devanado y los cojinetes del generador, los transformadores, los interruptores, las líneas eléctricas y el cableado en nuestras casas.

Los cubitos de hielo para nuestro té están formados en un refrigerador eléctrico. Implica tres procesos principales de intercambio de calor y varios menores. Los principales son la condensación de refrigerante a temperatura ambiente para rechazar el calor, la absorción de calor desde el interior del refrigerador al evaporar el refrigerante y el equilibrio de la fuga de calor desde la habitación hacia el interior.

Bebamos nuestro té helado rápidamente porque la transferencia de calor de la habitación al agua y del agua al hielo, primero lo derrite y luego lo calienta nuestro té si nos demoramos.




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