Física para Ciencias: Transferencia de Calor

Dictado por:

Profesor Aldo Valcarce 1 er 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.

𝑷 = ∆𝑸 ∆𝒕

Las unidades de potencia son J/s o Watts (W) En mecánica:

𝑾 = 𝑭∆𝒙

Entonces,

𝑷 = 𝑭 ∆𝒙 ∆𝒕 = 𝑭𝒗

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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.

𝑯

denota la rapidez con la que el calor se transfiere de un lugar a otro. Experimentalmente se encuentra que:

𝑯 ∝ ∆𝑻 𝑯 ∝ 𝑨

la diferencia de temperatura el área del conductor

𝑯 ∝ 𝟏/𝑳

el largo del conductor.

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Conducción 𝑯 = ∆𝑸 ∆𝒕 = 𝒌𝑨 𝑻 𝟐 − 𝑻 𝟏 𝑳 𝒌

es una constante conocida como la

conductividad térmica

tiene unidades de 𝐽 𝑠 −1 𝑚 −1 °𝐶 −1 .

del material y En general, los metales son buenos conductores (tienen

𝒌

alta), mientras que los no-metales y los gases son malos conductores (tienen 𝒌 baja).

Cobre: 397 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜 𝐶 Concreto: 1,3 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜 𝐶 Aire: 0,0234 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜 𝐶 Asbesto: 0,25 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜 𝐶 FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014

Ejercicio: Conducción

Calcule la cantidad de calor que se transfiere en una hora a través de un muro de concreto de 2 𝑚 de altura, 3,65 𝑚 un lado del muro se mantiene a 20 𝑜 𝐶 de longitud, y y el otro 𝑎 5 𝑜 𝐶 ( 0,2 𝑚 de espesor si k = 1,3 𝐽/𝑠 𝑚 𝑜 𝐶 ).

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Convección

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Convección

Calentando las manos sobre una fogata: El aire que est á 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, convecci ón 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 vac ío - no tiene átomos o moléculas para transmitir el calor por conducción ni convección.

Todos los objetos irradian energ ía 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 m superior de la atmósfera. Parte de ésta es reflejada, la otra parte es absorbida por la atmósfera.

2 de la parte FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014

Radiación Ley de Stefan 𝑷 = 𝝈𝑨𝒆𝑻 𝟒 𝐴: 𝜎 área = 5.67 x 10

-8

W/m

2

K

4 𝑒: emisividad o absorbencia

𝟎 ≤ 𝒆 ≤ 𝟏 𝑒 = 1

absorbedor ideal

𝑒 = 0

reflector ideal

𝑷 𝒏𝒆𝒕𝒂 = 𝝈𝑨𝒆(𝑻 𝟒 − 𝑻 𝟒 𝟎 )

Todo cuerpo absorbe y emite FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014

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 m 2 .

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Resumen



Potencia 𝑷 = ∆𝑸 ∆𝒕



Transferencia de Calor

 Conducción

𝑯 = 𝒌𝑨 𝑻

𝟐

− 𝑻

𝟏

𝑳

 Convección  Radiación FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014