NOMBRE DEL ALUMNO: JERONIMO MORENO YASMIN.
TRABAJO: LEYES DE TRANSFERENCIA DE CALOR
MATERIA: TERMODINÁMICA
GRADO: 4to SEMESTRE.
GRUPO: “A”
CARRERA: ING. EN ENERGIAS RENOVABLES
DOCENTE: ING. Q. LUIS ALBERTO BAÑEROS PINEDA
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Leyes de Transferencia de Calor: Apuntes de Termodinámica, Apuntes de Termodinámica
LEY DE FURIER, LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON Y LEY DE STEFAN
Tipo: Apuntes
2020/2021
1 / 12
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NOMBRE DEL ALUMNO: JERONIMO MORENO YASMIN.
TRABAJO: LEYES DE TRANSFERENCIA DE CALOR
MATERIA: TERMODINÁMICA
GRADO: 4to SEMESTRE.
GRUPO: “A”
CARRERA: ING. EN ENERGIAS RENOVABLES
DOCENTE: ING. Q. LUIS ALBERTO BAÑEROS PINEDA
Existe transferencia de calor cuando la energía va de un cuerpo a otro
a causa de la diferencia de temperatura entre ambos. El proceso de
transferencia de calor cesa en cuanto las temperaturas de los cuerpos
en contacto se igualan o cuando se suprime el contacto entre ellos.
A la cantidad de energía transferida de un cuerpo a otro en un
determinado lapso se le llama calor transferido. Un cuerpo puede ceder
calor a otro, o bien puede absorberlo, pero el calor siempre va del
cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.
Las unidades de calor son las mismas que las de la energía y en el
sistema internacional de medidas (SI) es el joule (J). Otras unidades de
calor frecuentemente utilizadas son la caloría y el BTU.
En cuanto a las leyes matemáticas que rigen la transferencia de calor,
estas dependen del mecanismo que intervenga en el intercambio.
Cuando el calor se conduce de un cuerpo a otro, la velocidad con la que
se intercambia el calor es proporcional al diferencial de temperatura.
Esta se conoce como la ley de Fourier de la conductividad térmica, que
conlleva a la ley de enfriamiento de Newton.
Los tres mecanismos de transferencia de calor son conducción,
convección y radiación. Hay conducción dentro de un cuerpo o entre
dos cuerpos que están en contacto. La convección depende del
movimiento de una masa de una región del espacio a otra. La radiación
es transferencia de calor por radiación electromagnética, como la luz del
Sol, sin que tenga que haber materia en el espacio entre los cuerpos.
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperaturas
entre dos partes del medio conductor. Para un volumen de espesor ∆ 𝑥
con un área de sección transversal A y cuyas caras opuestas se
encuentran a diferentes 𝑇
1
2
, con 𝑇
2
1
, se encuentra que el calor
∆𝑄 transferido en un tiempo ∆𝑡 fluye del extremo caliente al frio. Si se
llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez
de transferencia de calor 𝐻 = ∆𝑄/∆𝑡, esta dada por la ley de la
conducción de calor de Fourier.
La cantidad (TH-TC)/L es la diferencia de temperatura por unidad de
longitud, llamada gradiente de temperatura. El valor numérico
de k depende del material de la varilla. Los materiales con k grande son
buenos conductores del calor; aquellos con k pequeña son conductores
o aislantes deficientes.
Una barra de oro está en contacto térmico con una barra de
plata, una a continuación de la otra, ambas de la misma longitud y área
transversal. Un extremo de la barra compuesta se mantiene a 𝑇 1
y el extremo opuesto a 𝑇
2
= 3 0°. Calcular la temperatura de la unión
cuando el flujo de calor alcanza el estado estacionario.
Solución: con 𝐿
1
2
𝑜𝑟𝑜
1
1
𝑝𝑙𝑎𝑡𝑎
2
2
Cuando se alcanza el estado estacionario, estos dos valores son
iguales:
𝑜𝑟𝑜
𝑝𝑙𝑎𝑡𝑎
1
1
2
2
1
1
2
2
Despejando la temperatura T, con 𝑘
1
del oro y 𝑘
2
de la plata, valores
obtenidos de la tabla 1:
1
1
2
2
1
2
cuerpo cálido en un ambiente más frío Tm , cuya temperatura es T , es
proporcional a la diferencia entre la temperatura instantánea del cuerpo
y la del ambiente. Cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo
y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor transferido en la
unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por conducción,
convección y radiación es aproximadamente proporcional a la diferencia
de temperatura entre el cuerpo y el medio externo.
A = Área del cuerpo
α = Coeficiente de intercambio de
calor, depende de la forma
geométrica del cuerpo.
T = Temperatura del cuerpo en un
tiempo t
Ta = Temperatura ambiente
Q = Calor transferido
m = Masa
Ce = Calor específico
t = Tiempo
T 0 = Temperatura inicial del cuerpo
El vidrio de una ventana se encuentra a 10°C y su área es de
2
. Si la temperatura del aire exterior es 0°C, calcular la energía
que se pierde por convección cada segundo. Considerar ℎ =
2
Solución: los datos son 𝑇
𝐴
2
usando la ley de enfriamiento de Newton:
𝐴
2
2
con una cantidad y llamada emisividad: un número adimensional entre
0 y 1 que representa la relación entre la tasa de radiación de una
superficie dada y la de un área igual de una superficie radiante ideal a
la misma temperatura. La emisividad también depende un poco de la
temperatura. Así, la corriente de calor H= dQ/dt debida a radiación de
un área superficial A con emisividad e a la temperatura absoluta T se
puede expresar como (Zemasky, 2016):
Ley de Stefan
Todos los objetos emiten energía, cualquiera sea su temperatura, por
ejemplo, el sol, la tierra, la atmosfera, los polos, las personas, etc. La
energía radiada por el sol a diario afecta nuestra existencia en diferentes
formas. Esta influye en la temperatura promedio de la tierra, las
corrientes oceánicas, la agricultura, el comportamiento de la lluvia, etc.
Considerar la transferencia de radiación por una superficie de área A,
que se encuentra a una temperatura T. La radiación que emite la
superficie se produce a partir de la energía térmica de la materia limitada
por la superficie. La rapidez a la cual se libera energía se llama potencia
de radiación H, su valor es proporcional a la cuarta potencia de la
temperatura absoluta. Esto se conoce como la ley de Stefan (Joseph
Stefan, austriaco, 1835- 1 893), que se describe como:
Una carretera de superficie ennegrecida a una temperatura
de 320K recibe energía radiante del sol por un valor de 700W/𝑚
2
Calcular la radiación neta ganada por cada 𝑚
2
de la superficie de la
carretera.
Solución: la energía que emite la superficie de la carretera es:
4
− 8
2
4
4
2
Como del sol recibe 700W/𝑚
2
, la radiación neta es:
2