Clase 20: Transferencia de Calor

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Física para Ciencias:
Transferencia de Calor
Dictado por:
Profesor Aldo Valcarce
1er semestre 2014
FIS109C – 2: Física para Ciencias
1 er semestre 2014
Potencia
La potencia se define como la rapidez de transferencia de energía o el
trabajo realizado por segundo.
∆
=
∆
Las unidades de potencia son J/s o Watts (W)
En mecánica:
Entonces,
 = ∆
∆
=
= 
∆
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La transferencia de calor
La energía térmica se puede transferir de un lugar a otro por tres maneras
distintas:
Conducción – Convección - Radiación
La transferencia de calor existe sólo cuando hay una diferencia de
temperaturas.
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Conducción
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Conducción
Si se inserta un extremo de una varilla de cobre en una fogata, la
temperatura del otro extremo aumenta rápidamente por el proceso de
conducción.
La conducción se debe a la transferencia de energía cinética entre las
moléculas o átomos de la sustancia.
 denota la rapidez con la que el calor se transfiere de un lugar a otro.
Experimentalmente se encuentra que:
 ∝ ∆
la diferencia de temperatura
∝
el área del conductor
 ∝ /
el largo del conductor.
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Conducción
∆
 − 
=
= 
∆

 es una constante conocida como la conductividad térmica del material y
tiene unidades de   −1 −1 ° −1 .
En general, los metales son buenos conductores (tienen  alta), mientras
que los no-metales y los gases son malos conductores (tienen  baja).
Cobre: 397 /  
Concreto: 1,3 /  
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Aire: 0,0234 /  
Asbesto: 0,25 /  
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Ejercicio: Conducción
Calcule la cantidad de calor que se transfiere en una hora a través de un
muro de concreto de 2  de altura, 3,65  de longitud, y 0,2  de espesor si
un lado del muro se mantiene a 20  y el otro  5  (k = 1,3 /  ).
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Convección
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Convección
Calentando las manos sobre una fogata:
El aire que está directamente encima de las llamas se calienta y
expande. En consecuencia baja su densidad y el aire sube. Esta
masa de aire calienta las manos.
El calor transferido por el movimiento de las moléculas o átomos de
la sustancias de un lugar a otro se transmite por convección.
Cuando el proceso ocurre por diferencias de densidad, se llama
convección natural.
Cuando una bomba o ventilador obliga a la sustancia caliente a
moverse, convección forzada.
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Radiación
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Radiación
¿Cómo llega a la Tierra el calor generado por el sol?
Entre la tierra y el sol hay espacio vacío - no tiene átomos o
moléculas para transmitir el calor por conducción ni convección.
Todos los objetos irradian energía en forma de ondas
electromagnéticas. La radiación asociada con la pérdida de energía
térmica de un objeto se llama radiación infrarroja.
El calor del sol llega a la tierra en forma de radiación.
~1340 J de energía llegan por segundo a cada m2 de la parte
superior de la atmósfera. Parte de ésta es reflejada, la otra parte es
absorbida por la atmósfera.
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Radiación
Ley de Stefan
 = 

: área
 = 5.67 x 10-8 W/m2 K4
: emisividad o absorbencia
≤≤
 = 1 absorbedor ideal
 = 0 reflector ideal

 = ( −
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 )
Todo cuerpo
absorbe y emite
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Ejercicio: Radiación
Una persona demora 10 min en decidir que ropa ponerse en la
mañana mientras se encuentra totalmente desnuda. Si la
temperatura de la persona es de 35 °C ¿qué energía neta
pierde su cuerpo por radiación?
Suponer que la emisividad de la piel es de 0.900 y que el área
de la superficie de la persona es de 1.5 m2.
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Resumen
 Potencia
∆
=
∆
 Transferencia de Calor
 Conducción
 − 
 = 

 Convección
 Radiación
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