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Laboratorio de
Bioingeniería
Práctica # 7 Determinación de los Coefcientes deConductividad Térmica, de Conducción atural ! "orada
Integrantes:
$costa %olís &at'ia Paulina (utiérre (uerrero "eli)e (il
*ernánde (onále +liabet' Bere roco *ernánde +scobar -a'aira
(abriela
Fecha de entrega:
./011012
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Resumen
En esta práctica se determinaron los coeficientes de transferencia de calor por
convección para un sistema que constaba de una hielera con un foco dentro de ella el
cual calentaba dos termómetros que se encontraban a 22cm de distancia. Se determino
el flujo de calor que emitía el foco por convección y se estudiaron los factores de perdida
y la transferencia de calor por radiación
Introducción
TRANSFERENCIA DE CALOR
En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos
cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel
energtico. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. !unque
estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los
mecanismos predomine sobre los otros dos.
"a conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en
la radiación no hace falta que los cuerpos estn en contacto ni que haya materia entre
ellos. "a convección se produce a travs del movimiento de un líquido o un gas en
contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
#or ejemplo, el calor se transmite a travs de la pared de una casa fundamentalmente
por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta
en gran medida por convección, y la $ierra recibe calor del Sol casi e%clusivamente por
radiación &Cengel,2009'.
1) Conducción
En los sólidos, la (nica forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un
e%tremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se
transmite hasta el e%tremo más frío por conducción. )o se comprende en su totalidad el
mecanismo e%acto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en
parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando e%iste una
. 3 P á g i n a
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diferencia de temperatura. Esta teoría e%plica por qu los buenos conductores elctricos
tambin tienden a ser buenos conductores del calor &Kern, 2000 '.
Fórmulas y leyes
El flujo de calor conducido a travs de un cuerpo por unidad de sección transversal es
proporcional al gradiente de temperatura que e%iste en el cuerpo &con el signo cambiado'.
"a variación de temperatura por unidad de longitud se denomina gradiente de
temperatura* +$".
Intensidad de flujo de calor * - +/+!.+t 01m.s3 04attm3 0calcm.h3
Flujo* 5 +/+t 01s3 04att3 0calh3
Flujo lineal * 5 6.!.+$" 01s3 04att3 0calh3
Flujo radial * 5 2.7.6.".+$ln &r 2r 8' 01s3 04att3 0calh3
Flujo esférico* 5 9.7.6.r 8.r 2.+$ &r 2: r 8' 01s3 04att3 0calh3
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad trmica del material. "os
materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades trmicas elevadas y
conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen
conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y
se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de
conducción del calor a travs de un sólido en el que e%iste una diferencia de temperatura
conocida.
2) Convección
Si e%iste una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi
seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de
una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección.
El movimiento del fluido puede ser natural o for
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5* flujo de calor 01s3.
h* coeficiente de convección 0cals.cm.=>3.
!* superficie de contacto.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El
líquido más pró%imo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por
conducción a travs de la cacerola. !l e%pandirse, su densidad disminuye y como
resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo,
con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse
por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su
calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. ?e forma similar, en una cámara
vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una
ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel e%terior &que está más frío'
desciende, mientras que al aire cercano al panel interior &más caliente' asciende, lo que
produce un movimiento de circulación.
El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la
radiación como de las corrientes naturales de convección. ?ebido a la convección, los
radiadores deben colocarse cerca del suelo &y los aparatos de aire acondicionado cerca
del techo' para que la eficiencia sea má%ima. ?e la misma forma, la convección natural
es responsable del tiraje de las chimeneas. "a convección tambin determina el
movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los
vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde
el interior del Sol hasta su superficie &Kern,2000 '.
3) Radiación
"a radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la
convección* las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino
que pueden estar separadas por un vacío, o bien que no e%ista materia entre ellas. "a
radiación es un trmino que se aplica genricamente a toda clase de fenómenosrelacionados con ondas electromagnticas. !lgunos fenómenos de la radiación pueden
describirse mediante la teoría de ondas, pero la (nica e%plicación general satisfactoria de
la radiación electromagntica es la teoría cuántica &Cengel, 2009'.
5 !.e. @ .$9 01s3 04att3 0calh3
5* flujo de calor 01s3.
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!* superficie que emite o recibe.
e* poder emisor, n(mero no dimensional, que está entre A y 8.
@ * constante de radiación &@ B,CCDD.8A:.Fm.G9'.
!lbert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuanti
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O!"etivos
O!"etivo #enera$%
?eterminación e%perimental de los coeficientes de transferencia de calor en estado
estacionario de acuerdo al mecanismo predominante, identificando las variables
involucradas permitindose la discusión en conjunto.
O!"etivos &articu$ares
Estimar el tiempo de transición para el proceso de transferencia de calor por
conducción a travs de un grafico de temperatura vs tiempo. ?eterminar los coeficientes de transferencia de calor por convección natural
'ateria$ ( Eui&o
• $ela de asbesto u otro aislante.
• Iarras circulares de metales* >obre, latón, bronce.
• Kesistencia de calentamiento arrilla de calentamiento como opción'.
• !dquisitor de datos con 2 termopares &$ermómetros con escala a 9AA=>'.
• Loco de CA F
• Soc6et, cable duple% &2 mts.', enchufe
• Hultímetro
• #otenciómetro
• Mentilador
• Mernier
• Lle%ómetro
• Ialan
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$rmardis)ositivo
! confgurarcon
7recuenciade muestrode 1 datocada 48
seg )or 1.min
%e)arartermo)ares
, uno encontacto
consu)erfciedel 7oco !
el dosale9ado del
7oco
$ccionarsimultánea
mentead:uisitorde datos !resistencia
decalentamie
nto
;egistrardatos
El sistema usado para el desarrollo de la trasferencia de calor con convección natura y
radiación, consistió de una hielera de poliestireno, a la cual se le introdujo un foco de CA
F y dos termómetros, como se puede observar en la Ligura 8.
Fi#ura 1% Descri&ción de$ sistema &ara convección *or+ada
'etodo$o#,a
Determinación e-&erimenta$ de$ coe*iciente de trans*erencia de ca$or &or
convección natura$
Resu$tados
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$abla 8 Kesultados obtenidos de la temperatura de superficie del foco y de la temperaturadel aire al paso del tiempo
t .min) Ts . /C) T 0./C) T
2C 2C A
1 9B 9A B
1% B8 9 O
2 B B2 C
2% CC BP D
3 PA C2
3% PB CC D
4 PD PA D
4% O P9 D
P P D
% D8 PD 82
5 D2 2 8A
5% DB 9 88
6 DP C 88
6% DD 88
7 8A8 DA 88
7% 8A2 D2 8A
8 8A9 DO 88
8% 8AB D9 88
1 8AC DB 88
1% 8A DP 88
11 8AD D 8811% 88A DD 88
12 88A 8AA 8A
75%273333 66%733333
! partir de los datos anteriores se reali
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8 . 5 / < 18 1. 158
.8
58
/8
C?
T in =>C?
Tiempo (min)
Temperatura (C°)
9ra*ica 1% Cam!io de $a tem&eratura de su&er*icie ( de$ medio res&ecto a$ tiem&o
Convección natura$
! partir del promedio de la temperatura de superficie del foco y de la temperatura del
medio se determina la temperatura de película
Tf =Ts+T ∞
2
Tf =86.2083333+77.0833333
2
Tf =81.64583333
Se obtienen las propiedades del aire a la temperatura de película obtenida
ρ=0.9948575 kg
m3
k =0.02969 W
m K
Pr=¿ A.P8BAO
ν=2.11412 x10−5 m
2
K
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β= 1
Tf ( K )=
1
273.15+81.6458333=2.8185 x10−3 K −1
! partir de las propiedades anteriores se obtiene el )(mero de Jrashof &Jr'
Gr=gβ (T S−T ∞ ) Lc
3
ν2
2.11412 x 10−5m
2/ K ¿¿¿
Gr=(9.81m /s)(2.8185 x10−3 K −1)(86.2083333C°−77.0833333C° )(0.23m)3
¿
Gr=6868295.59
)(mero de Kayleigh
Ra=GrPr
Ra=(6868295.59)(0.71503)
Ra=4911091.77
! partir de la siguiente correlación de )usselt para recintos cerrados propuesta por
Ier6ovs6y y #olevi6ov &8DPP'
Pr
0.2+ Pr Ra¿0.29
Nu=0.18 ¿
0.71503
0.2+0.715034911091.77 ¿0.29
Nu=0.18 ¿
Nu=14.61000679
! partir de la ecuación de )usselt de determina el coeficiente de calor
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Nu= Lc h
k
h= Nu k
Lc
h=(14.6100679)0.02969
W
m K
0.23m
h=1.88636489W /mK
! partir del coeficiente de calor se determina la prdida de calor por convección natural
Qconv=h A(T S−T ∞)
Se determina el área de la hielera
A=0.443025m2
Qconv=(1.88636489W /m2 K )(0.443025m2)(9.125 K )
Qconv=7.62582459W
Discusión de resu$tados
"a convección se fundamenta en el movimiento de un fluido asociado al hecho de que, en
cualquier instante, grandes n(meros de molculas se mueven de forma colectiva, de ahí
que dicho movimiento en presencia de un gradiente de temperatura, contribuya a la
transferencia de calor.
?urante el desarrollo de la práctica se trabajó con convección libre &o natural', donde el
flujo inducido por fuerengel, 2AAC'.
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>omo se pudo observar en los datos obtenidos deT s y
T ∞ , laT s es mayor que
T ∞ . ?e acuerdo con lo encontrado en la literatura, en cualquier caso dondeT s R
T ∞ , ocurrirá la transferencia de calor por convección entre la superficie y el flujo
e%terior &ncropera, 8DDD'.
En este caso se usó como fluido el aire, el cual en los sistemas de transmisión de calor,
es un elemento totalmente pasivo, que no ejerce ninguna función fundamental en los
resultados trmicos.
?urante la práctica tambin se presenta la transmisión de calor por radiación, debido a
que este fenómeno se fundamenta en que las sustancias que intercambian calor no tienen
que estar en contacto, por lo que pueden estar separadas por un vacío, donde el calor es
transmitido por ondas electromagnticas &Horan y Shapiro, 2AAB'. ?e acuerdo a la ley de
Stefan:Iolthamarro, 2AAB'.
Q tomando en cuenta que el poliestireno posee un índice de emisividad de A.DA &DAT'
&Emisividad, lista de materiales', lo cual indica que su reflectividad o capacidad de reflejar
calor radiante es de A.8A &8AT'. >omo nos podemos dar cuenta poliestireno tiene una
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que afectará la naturaleengel, 2AAC'.
3% :Cu
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• Emisividad. "ista de materiales. Kecuperado el 22 de )oviembre de 2A8B de*
https*444.infraredheaters.commanual8O.pdf
• ncropera #. Lran6. 2AAA. Lundamentos de transferencia de calor. 9ta. Edición.
Editorial #KE)$>E 5!"", H%ico. #ágs.B8B, 9O, C9C.
Gern, ?onald. #rocesos de $ransferencia de >alor . Ora Edición. #rocess 5eat
$ransfer • Horan y Shapiro. 2AAB. Lundamentos de $ermodinámica $cnica. Editorial
Kevert.
• $ransferencia de >alor. Kecuperado el 2O de )oviembre de 2A8B de*
http*444.fisicanet.com.artermodinámicaapAWtranferenciaWdeWcalor.pdf
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