1. MECANISMO DE TRASNFERENCIA DE CALOR
1.1. El proceso mediante el cual se trasmite energía de un medio o material a otro de menor temperatura se le conoce con el nombre de transferencia de calor.
1.2. Existen tres diferentes mecanismos de trasferencia de calor.
1.2.1. Conducción
1.2.1.1. Conducción es la acción y efecto de conducir (llevar, transportar, guiar, dirigir). El término procede del vocablo latino conductivo y tiene diversas aplicaciones y usos.
1.2.1.1.1. La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura. J=−K ∂T ∂x Siendo K una constante característica del material denominada conductividad térmica.
1.2.1.2. Q ̇cond=-kA ΔT/ΔX
1.2.1.2.1. La ecuación que describe la conducción térmica se conoce como ley de Fourier, en este caso el campo Y es la temperatura T, y el coeficiente α=K/(rc), donde K, es la conductividad térmica, r la densidad, y c es el calor específico del material. La conducción del calor se establece siempre que exista un gradiente o diferencia de temperaturas entre dos puntos de una barra metálica.
1.2.2. Convección
1.2.2.1. Calor transmitido en un líquido o en un gas como consecuencia del movimiento real de las partículas calentadas en su seno.
1.2.2.1.1. La ley más sencilla que podemos imaginarnos es una en la que la potencia calorífica P que un cuerpo de temperatura característica Tc recibe mediante convección de un fluido de temperatura característica Tf es proporcional a la diferencia de ambastemperaturas:
1.2.2.2. Q ̇conv=hAs(Ts-T∞)
1.2.2.2.1. ley del enfriamiento de Newton se centra en alguna temperatura de referencia bien definida del fluido y una temperatura también bien definida del cuerpo a calentar o enfriar. La ley más sencilla que podemos imaginarnos es una en la que la potencia calorífica P que un cuerpo de temperatura característica Tc recibe mediante convección de un fluido de temperatura característica Tf es proporcional a la diferencia de ambas temperaturas
1.2.3. Radiación
1.2.3.1. Es la emisión, propagación y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas electromagnéticas o partículas.
1.2.3.1.1. siendo σ = 5.67·10-8 [W/m2 ºK4] la Constante de Stefan-Boltzmann. Esta última ley es de gran utilidad, y de su análisis se deduce que el flujo de radiación es directamente proporcional a su temperatura absoluta elevada a la 4ª potencia.
1.2.3.2. Q ̇emitida=εσAs(T4S -T4 alrededores)
1.2.3.2.1. Josef Stefan inicia la ley empírica “T4”, descubierta a partir de los experimentos que mostraban que la energía radiada por un cuerpo negro eran proporcionales a su temperatura elevada a la cuatro (4), lo que tiempo después seconvertiría en una teoría, y más adelante en una ley de la naturaleza;
1.3. La transferencia de calor esta relacionada con el intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos los cuales son llamados: fuente y receptor.
1.3.1. Existen tres maneras diferentes en que el calor pasa de la fuente al receptor.
2. Leyes y ecuaciones que rigen estos mecanismos.
2.1. Sólo hay transferencia de calor entre regiones que están a diferente temperatura, y la dirección de flujo siempre es de la temperatura más alta a la más baja. La figura de la izquierda muestra una varilla de material conductor con área transversal A y longitud L. El extremo izquierdo de la varilla se mantiene a una temperatura TH, y el derecho, a una temperatura menor TC, así que fluye calor de izquierda a derecha. Los costados de la varilla están cubiertos con un aislante ideal, así que no hay transferencia de calor por los lados. Si se transfiere una cantidad de calor dQ por la varilla en un tiempo dt, la tasa de flujo de calor es dQ/dt. Llamamos a ésta la corriente de calor, denotada por H. Es decir, H = dQ/dt. Se observa experimentalmente que la corriente de calor es proporcional al área transversal A de la varilla y a la diferencia de temperatura (TH-TC), e inversamente proporcional a la longitud de la varilla L. Introduciendo una constante de proporcionalidad k llamada conductividad térmica del material.
2.2. H= Corriente de calor en conducción Q = Calor t = Tiempo L = Largo TH = Temperatura mayor TC = Temperatura menor k = Conductividad térmica A = Área
2.2.1. 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. La ecuación también da la corriente de calor que pasa a través de una plancha, o por cualquier cuerpo homogéneo con área transversal A uniforme y perpendicular a la dirección de flujo; L es la longitud de la trayectoria de flujo del calor. Las unidades de corriente de calor H son unidades de energía por tiempo, es decir, potencia; la unidad SI de corriente de calor es el watt (1 W = 1 J/s). Podemos determinar las unidades de k despejándola de la ecuación. Verifique que las unidades sean W/m ·
2.3. la ecuación que describe la difusión se denomina ley de Fick. El campo Y describe la concentración de soluto en el disolvente y la constante α=D, siendo D el coeficiente de difusión. La difusión se establece siempre que exista un gradiente o diferencia de concentración entre dos puntos del medio.
2.3.1. Se calcula la solución de la ecuación diferencial que gobierna el proceso. Se simulan los fenómenos a partir de mecanismos básicos simples. La simulación nos permitirá explicar las facetas esenciales de la descripción matemática del fenómeno en cuestión
3. FUNDAMENTOS DE LOS FENOMENOS DE TRASPORTE
3.1. Los fenómenos de transporte hacen referencia a la velocidad en que una cantidad de alguna de las propiedades extensivas calor, masa y cantidad de movimiento se transfiere por unidad de tiempo y de superficie. Este movimiento se produce debido a un gradiente de la concentración de la propiedad extensiva donde el sistema tenderá de manera natural a equilibrarse y tanto calor, masa y cantidad de movimiento irán del lugar de mayor concentración al de menor concentración
3.1.1. Los transportes pueden trabajar en régimen laminar - transporte molecular, lento y ordenado o régimen turbulento, rápido y caótico.
3.2. Los tres fenómenos de transporte están relacionados y existen analogías entre ellos; sin embargo, se debe considerar que las analogías no son perfectas debido a dos causas
3.2.1. 1) la concentración de la cantidad de movimiento es una magnitud vectorial a diferencia de las concentraciones de calor y masa que son escalares y 2) El transporte de materia necesita de al menos dos componentes, a diferencia de los otros dos transportes que pueden producirse en un sistema de un solo componente.
4. Fenómenos de Transporte energéticos.
4.1. Constituye una parte especial de la Físico-Química que enfoca su estudio sobre las transferencias de Cantidad de Movimiento, de Energía Térmica y de Masa, que se generan en los sistemas materiales cuando éstos se encuentran en estado de no equilibrio.
4.1.1. Las leyes físicas que describen su comportamiento son simples y fácilmente comprensibles, pero la descripción analítica es compleja. Trataremos además, de resaltar las diferencias entre los mecanismos básicos que explican ambos fenómenos, y cómo afectan las condiciones de contorno a su evolución temporal. Así, en el problema de la conducción del calor a lo largo de una barra metálica se establecerán temperaturas fijas en los extremos de la barra, mientras que en el problema de la difusión se establecerá una masa de soluto en el origen de un medio unidimensional infinito en extensión. Los fenómenos de transporte son aquellos procesos en los que hay una transferencia neta o transporte de materia, energía o momento lineal en cantidades grandes o macroscópicas. Estos fenómenos físicos tienen rasgos comunes que pueden ser descritos mediante la ecuación diferencial para la propagación unidimensional