INGENIERIA ELECTROMECANICA
TRANSFERENCIA DE CALOR DE CENGEL TERCERA EDICION
1
, CONTENIDO
TERMODINÁMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR ................................................................................ 3
ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR ................................................................. 4
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA INGENIERÍA................................................................................... 4
CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGÍA ............................................................................................... 5
TRANSFERENCIA DE LA ENERGÍA ........................................................................................................ 6
CALENTAMIENTO DE UNA BOLA DE COBRE ........................................................................................ 7
BALANCE DE ENERGÍA PARA SISTEMAS CERRADOS (MASA FIJA) ....................................................... 8
BALANCE DE ENERGÍA PARA SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO ..................................................... 8
BALANCE DE ENERGÍA EN LA SUPERFICIE ........................................................................................... 9
CALENTAMIENTO DE AGUA EN UNA TETERA ELÉCTRICA ................................................................. 10
PÉRDIDA DE CALOR EN LOS DUCTOS DE CALEFACCIÓN EN UN SÓTANO ......................................... 11
CALEFACCIÓN ELÉCTRICA DE UNA CASA UBICADA A GRAN ALTITUD............................................... 13
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.................................................................................. 15
CONDUCCIÓN .................................................................................................................................... 15
COSTO DE LA PÉRDIDA DE CALOR A TRAVÉS DE UN TECHO ............................................................. 16
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ............................................................................................................... 16
DIFUSIVIDAD TÉRMICA ...................................................................................................................... 20
MEDICIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE UN MATERIAL ...................................................... 20
CONVECCIÓN..................................................................................................................................... 21
MEDICIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN ............................ 23
RADIACIÓN ........................................................................................................................................ 24
EFECTO DE LA RADIACIÓN SOBRE LA COMODIDAD TÉRMICA .......................................................... 26
MECANISMOS SIMULTÁNEOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ......................................................... 27
PÉRDIDA DE CALOR DE UNA PERSONA ............................................................................................. 28
TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE DOS PLACAS ISOTÉRMICAS ....................................................... 29
CALENTAMIENTO DE UNA PLACA POR ENERGÍA SOLAR ................................................................... 31
BIBLIOGRAGIA ................................................................................................................................... 33
2
,TERMODINÁMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR
Con base en la experiencia, se sabe que una bebida enlatada fría dejada en una habitación
se entibia y una bebida enlatada tibia que se deja en un refrigerador se enfría. Esto se
lleva a cabo por la transferencia de energía del medio caliente hacia el frío. 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.
En este texto se está interesado sobre todo en el calor, que es la forma de la energía que
se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia en la
temperatura. La ciencia que trata de la determinación de las razones de esa
transferencia es la transferencia de calor
La termodinámica se interesa en la cantidad de transferencia de calor a me dida que un
sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro, y no indica cuánto tiempo
transcurrirá. Un análisis termodinámico sencillamente nos dice cuánto calor debe
transferirse para que se realice un cambio de estado específico con el fin de satisfacer el
principio de conservación de la energía.
Por ejemplo, es posible determinar la cantidad de calor transferida de una jarra o termo
conforme el café caliente que está en su interior se enfría de 90°C hasta 80°C con sólo un
análisis termodinámico. Pero a un usuario típico o al diseñador de una de estas jarras le
interesa principalmente cuánto tiempo pasará antes de que el café caliente que esté en el
interior se enfríe hasta 80°C, y un análisis termodinámico no puede responder esta
pregunta. La determinación de las razones de transferencia del calor hacia un sistema y
desde éste y, por tanto, los tiempos de enfriamiento o de calentamiento, así como de la
variación de la temperatura, son el tema de la transferencia de calor
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 y la
diferencia de presión es la fuerza impulsora para el flujo
de fluidos.
La velocidad de la transferencia de calor en cierta
dirección depende de la magnitud del gradiente de temperatura (la diferencia de
temperatura por unidad de longitud o la razón de cambio de la temperatura en esa
dirección). A mayor gradiente de temperatura, mayor es la razón de la transferencia de
calor.
3
, ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR
Muchos aparatos domésticos comunes están diseñados, en su conjunto o en parte,
mediante la aplicación de los principios de la transferencia de calor. Algunos ejemplos
caen en el dominio de las aplicaciones eléctricas o del uso del gas: el sistema de
calefacción y acondicionamiento de aire, el refrigerador y congelador, el calentador de
agua, la plancha e, incluso, la computadora, la TV y el reproductor de DVD. Por supuesto,
los hogares eficientes respecto al uso de la energía se diseñan de manera que puedan
minimizar la pérdida de calor, en invierno, y la ganancia de calor, en verano. La
transferencia de calor desempeña un papel importante en el diseño de muchos otros
aparatos, como los radiadores de los automóviles, los colectores solares, diversos
componentes de las plantas generadoras de energía eléctrica e, incluso, la nave espacial.
El espesor óptimo del aislamiento de las paredes y techos de las casas, de los tubos de
agua caliente o de vapor de agua o de los calentadores de agua se determina, una vez
más, a partir de un análisis de la transferencia de calor que considere los aspectos
económicos.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA INGENIERÍA
El equipo de transferencia de calor —como los intercambiadores de calor, las calderas, los
condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores y los
colectores solares— está diseñado tomando en cuenta el análisis de la transferencia de
calor.
Un aparato o proceso de ingeniería
puede estudiarse en forma experimental
(realización de pruebas y toma de
mediciones) o en forma analítica
(mediante el análisis o la elaboración de
cálculos). El procedimiento experimental
tiene la ventaja de que se trabaja con el
sistema físico real, y la cantidad deseada
se determina por medición, dentro de los
límites del error experimental. Sin
embargo, este procedimiento es caro,
tardado y, con frecuencia, impráctico. Además, el sistema que se esté analizando puede
incluso no existir. Por ejemplo, por lo regular, los sistemas completos de calefacción y de
plomeria de un edificio deben dimensionarse a partir de las especificaciones dadas antes
de que el edificio se construya en realidad. El procedimiento analítico (que incluye el
procedimiento numérico) tiene la ventaja de que es rápido y barato, pero los resultados
obtenidos están sujetos a la exactitud de las suposiciones, de las aproximaciones y de las
idealizaciones establecidas en el análisis. En los estudios de ingeniería, es frecuente que se
logre un buen término medio al reducir los posibles diseños a unos cuantos, por medio del
análisis, y verificando después en forma experimental los hallazgos.
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TRANSFERENCIA DE CALOR DE CENGEL TERCERA EDICION
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, CONTENIDO
TERMODINÁMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR ................................................................................ 3
ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR ................................................................. 4
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA INGENIERÍA................................................................................... 4
CALOR Y OTRAS FORMAS DE ENERGÍA ............................................................................................... 5
TRANSFERENCIA DE LA ENERGÍA ........................................................................................................ 6
CALENTAMIENTO DE UNA BOLA DE COBRE ........................................................................................ 7
BALANCE DE ENERGÍA PARA SISTEMAS CERRADOS (MASA FIJA) ....................................................... 8
BALANCE DE ENERGÍA PARA SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO ..................................................... 8
BALANCE DE ENERGÍA EN LA SUPERFICIE ........................................................................................... 9
CALENTAMIENTO DE AGUA EN UNA TETERA ELÉCTRICA ................................................................. 10
PÉRDIDA DE CALOR EN LOS DUCTOS DE CALEFACCIÓN EN UN SÓTANO ......................................... 11
CALEFACCIÓN ELÉCTRICA DE UNA CASA UBICADA A GRAN ALTITUD............................................... 13
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.................................................................................. 15
CONDUCCIÓN .................................................................................................................................... 15
COSTO DE LA PÉRDIDA DE CALOR A TRAVÉS DE UN TECHO ............................................................. 16
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ............................................................................................................... 16
DIFUSIVIDAD TÉRMICA ...................................................................................................................... 20
MEDICIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE UN MATERIAL ...................................................... 20
CONVECCIÓN..................................................................................................................................... 21
MEDICIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN ............................ 23
RADIACIÓN ........................................................................................................................................ 24
EFECTO DE LA RADIACIÓN SOBRE LA COMODIDAD TÉRMICA .......................................................... 26
MECANISMOS SIMULTÁNEOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ......................................................... 27
PÉRDIDA DE CALOR DE UNA PERSONA ............................................................................................. 28
TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE DOS PLACAS ISOTÉRMICAS ....................................................... 29
CALENTAMIENTO DE UNA PLACA POR ENERGÍA SOLAR ................................................................... 31
BIBLIOGRAGIA ................................................................................................................................... 33
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,TERMODINÁMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR
Con base en la experiencia, se sabe que una bebida enlatada fría dejada en una habitación
se entibia y una bebida enlatada tibia que se deja en un refrigerador se enfría. Esto se
lleva a cabo por la transferencia de energía del medio caliente hacia el frío. 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.
En este texto se está interesado sobre todo en el calor, que es la forma de la energía que
se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia en la
temperatura. La ciencia que trata de la determinación de las razones de esa
transferencia es la transferencia de calor
La termodinámica se interesa en la cantidad de transferencia de calor a me dida que un
sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro, y no indica cuánto tiempo
transcurrirá. Un análisis termodinámico sencillamente nos dice cuánto calor debe
transferirse para que se realice un cambio de estado específico con el fin de satisfacer el
principio de conservación de la energía.
Por ejemplo, es posible determinar la cantidad de calor transferida de una jarra o termo
conforme el café caliente que está en su interior se enfría de 90°C hasta 80°C con sólo un
análisis termodinámico. Pero a un usuario típico o al diseñador de una de estas jarras le
interesa principalmente cuánto tiempo pasará antes de que el café caliente que esté en el
interior se enfríe hasta 80°C, y un análisis termodinámico no puede responder esta
pregunta. La determinación de las razones de transferencia del calor hacia un sistema y
desde éste y, por tanto, los tiempos de enfriamiento o de calentamiento, así como de la
variación de la temperatura, son el tema de la transferencia de calor
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 y la
diferencia de presión es la fuerza impulsora para el flujo
de fluidos.
La velocidad de la transferencia de calor en cierta
dirección depende de la magnitud del gradiente de temperatura (la diferencia de
temperatura por unidad de longitud o la razón de cambio de la temperatura en esa
dirección). A mayor gradiente de temperatura, mayor es la razón de la transferencia de
calor.
3
, ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR
Muchos aparatos domésticos comunes están diseñados, en su conjunto o en parte,
mediante la aplicación de los principios de la transferencia de calor. Algunos ejemplos
caen en el dominio de las aplicaciones eléctricas o del uso del gas: el sistema de
calefacción y acondicionamiento de aire, el refrigerador y congelador, el calentador de
agua, la plancha e, incluso, la computadora, la TV y el reproductor de DVD. Por supuesto,
los hogares eficientes respecto al uso de la energía se diseñan de manera que puedan
minimizar la pérdida de calor, en invierno, y la ganancia de calor, en verano. La
transferencia de calor desempeña un papel importante en el diseño de muchos otros
aparatos, como los radiadores de los automóviles, los colectores solares, diversos
componentes de las plantas generadoras de energía eléctrica e, incluso, la nave espacial.
El espesor óptimo del aislamiento de las paredes y techos de las casas, de los tubos de
agua caliente o de vapor de agua o de los calentadores de agua se determina, una vez
más, a partir de un análisis de la transferencia de calor que considere los aspectos
económicos.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA INGENIERÍA
El equipo de transferencia de calor —como los intercambiadores de calor, las calderas, los
condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores y los
colectores solares— está diseñado tomando en cuenta el análisis de la transferencia de
calor.
Un aparato o proceso de ingeniería
puede estudiarse en forma experimental
(realización de pruebas y toma de
mediciones) o en forma analítica
(mediante el análisis o la elaboración de
cálculos). El procedimiento experimental
tiene la ventaja de que se trabaja con el
sistema físico real, y la cantidad deseada
se determina por medición, dentro de los
límites del error experimental. Sin
embargo, este procedimiento es caro,
tardado y, con frecuencia, impráctico. Además, el sistema que se esté analizando puede
incluso no existir. Por ejemplo, por lo regular, los sistemas completos de calefacción y de
plomeria de un edificio deben dimensionarse a partir de las especificaciones dadas antes
de que el edificio se construya en realidad. El procedimiento analítico (que incluye el
procedimiento numérico) tiene la ventaja de que es rápido y barato, pero los resultados
obtenidos están sujetos a la exactitud de las suposiciones, de las aproximaciones y de las
idealizaciones establecidas en el análisis. En los estudios de ingeniería, es frecuente que se
logre un buen término medio al reducir los posibles diseños a unos cuantos, por medio del
análisis, y verificando después en forma experimental los hallazgos.
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