Mecanismos de transferencia de calor
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Universidad Católica de Santa María
Programa Profesional de Ingenierías de Sistemas
Mecanismos de transferencia de calor
Heat transfer mechanisms
CUADROS VALCARCEL SEBASTIAN JESUS
DEL CARPIO BERNEDO PAULA LIZANDRA
DEZA PANDIA DALIA KIMBERLY
DIAZ CHOQUE YOSELIN RAQUEL
El objetivo de este artículo es poder
explicar de una manera clara y general
cada una de las formas de transmisión
del calor, y poder establecer
diferencias propias entre cada una de
las posibles formas, ya que se
encontró que en cada una de ellas
existen subdiferencias que logran
abarcar todos los casos posibles de
transmisión de calor para cada
mecanismo. Para esto los métodos
que empleamos fueron
experimentales, los cuales nos
llevaron a deducir que el uso de
algunos métodos numéricos serían
óptimos para calcular y comprobar los
resultados de los experimentos
expuestos, con las ecuaciones de
cada forma de transmisión de calor.
En el artículo se explica que al
referirnos a una transmisión por
conducción, ésta es producida a
través de objetos sólidos; en cambio,
la transmisión por convección es
propia de los fluidos, que son los
gases y los líquidos; y en la
transmisión por radiación se entendió
que no se necesita de ningún medio o
agente de transporte, y que podría ser
posible en el vacío. Y es así que
encontramos una de las principales
diferencias entre los tres mecanismos
de transmisión de calor, para esto, se
desarrollan algunos ejemplos que se
RESUMEN
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Mecanismos de transferencia de calor
encuentran en la vida real, donde se
relacionan los conceptos con lo
abstraído de los ejemplos.
Palabras claves:
Calor
Transmisión por conducción
Transmisión por convección
Transmisión por radiación
The aim of this article is to explain in a
clear and generally way each of the
forms of heat transfer manner, and to
establish themselves among each of
the possible forms differences, as it was
found that in each there sub differences
that cover all possible cases of heat
transfer for each mechanism. To this,
we explains that when referring to a
transmission by conduction, it is
produced through solid objects;
however, the transmission is self
convection of fluids, which are gases
and liquids; and transmitting radiation
was understood not need any means or
use experimental methods, which led us
to conclude that the use of some
transport agent, and it may be possible
in a vacuum. And so we find one of the
numerical methods would be optimal to
calculate and check the results of the
experiments reported, with each form
equations heat transfer. In the article it
main differences between the three
heat transfer mechanisms for this, some
examples found in real life, where
abstracted concepts with examples
relate develop.
Key words:
Heat
Transmission by conduction
ABSTRACT
![Page 3: Mecanismos de transferencia de calor](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022072002/563db927550346aa9a9a8eb9/html5/thumbnails/3.jpg)
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Transmission by convection
Transmission by radiation
Nuestros organismos, así como otros
cuerpos, cuentan con mecanismos
capaces de hacer que nuestra
temperatura sea constante, o de igual
manera, a que mantengamos cierta
cantidad de calor, así como la
temperatura, el calor ocupa un papel
esencial, pero es necesario resaltar la
diferencia que hay entre el ambos, ya
que son palabras que han sido
confundidas al no saber el significado
de cada una de ellas.
Al referirnos de temperatura, según la
enciclopedia: “Es una magnitud
referida a las nociones comunes de
calor, frío, templado o tibio, medible
mediante un termómetro”1
En cambio, cuando hablamos de calor
nos referimos a una energía que “se
transporta o se mueve mediante un
gradiente de temperatura”2, nos
referimos a la energía transmitida a un
cuerpo de mayor temperatura hacia
otro cuerpo de menor temperatura.
Sería correcto afirmar que el fenómeno
de transmisión de calor es tan común
como la gravedad. Si vemos
diferentes situaciones donde se
transmite calor, una de ellas puede ser
donde un soldador calienta una pieza
de metal que cede al calor a través de
la punta del soldador hasta llegar a
soldarse; podemos diferenciar ese tipo
de transmisión con esta otra situación
en donde el secador de pelo mediante
un ventilador se encarga de enviar el
aire caliente al pelo; otra forma de
transmitir calor que se puede
representar mediante una lámpara de
cuarzo en donde sólo se calientan los
objetos que están directamente frente
al campo de radiación. Así podemos
diferenciar que existen 3 formas en las
que el calor se puede transmitir. En
este artículo explicaremos las tres
formas posibles de transmisión de
calor, es decir pasar de una parte a
otra de un mismo cuerpo o pasar de un
cuerpo a otro, estas formas se dan a
través de la conducción, la convección
y la radiación. Cada una de estas
formas son comunes porque se
pueden percibir en diversas
INTRODUCCIÓN
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Mecanismos de transferencia de calor
situaciones de la vida real. Al explicar
cada uno de estos mecanismos,
podremos diferenciar y darnos cuenta
que mecanismo es usado en cada
situación que detectemos la
transmisión del calor.
En relación a las presentaciones de lo
aplicativo usualmente se muestran tres
tipos de modos de transferencia, estos
desarrollan procesos de conducción de
calor con respecto a la transferencia o
no de materia. En lo específico de las
aplicaciones sitúan recursos, procesos
y cambios a razón de estudiar los
diferentes tipos de transmisión de calor,
por referencia a usos cotidianos en
campos donde se aplica el calor, como
la soldadura aplicando un material que
digiere un cambio en su materia para la
inclusión de otro recurso, sin embargo,
no todos los materiales digieren el calor
de la misma forma en relación a otros
recursos. Se plantea como medio de
transformación en la composición de la
materia difiriéndose en torno a un uso
diferente, una aplicación en común, se
mide por diferentes tamaños de
muestra en torno a medidas como es el
caso de un termómetro que mide el
grado de calor del paciente, situándose
este instrumento en áreas donde se
puede hallar una muestra más idónea
respecto al calor presente o como es el
caso de una lámpara que induce el
calor por medio del campo donde ejerce
su iluminación, el campo donde percibe
la iluminación empieza a mostrar un
cambio en su temperatura, e relación,
una lámpara puede dar calor es un
entorno donde el campo pueda recibir
el calor y cambiar según su
composición, tal como este caso se
puede plasmar una serie de
características sesgándolo en tramos
de cambios en la materia.
Transmisión por Conducción:
Para mostrar como es este tipo de
transmisión, se experimentó con un
recipiente metálico, lleno con agua, el
cual se expuso al fuego. Así se pudo
observar que las llamas calientan el
metal porque los gases de combustión
están en contacto con el fondo y el calor
que se transmite es por conducción, ya
que las moléculas del metal tienen
vibraciones producidas por el calor.
Para esta forma de transmisión
MATERIALES Y MÉTODOS
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podemos utilizar el segundo principio
de la termodinámica.
Esto determina que el calor fluye de un
cuerpo caliente a un cuerpo frio en
todos los casos. Una relación
cuantitativa entre el flujo y las
variaciones espaciales y temporales de
la temperatura es la que propone la ley
de Fourier. (Fig. 1)
Fig. 1
Transmisión por Convección:
Para poder demostrar esta forma de
transmisión, se experimentó con un
mechero que calentaba un espiral de
papel, a los pocos segundos, de
cómodo que el aire se calentaba, el
espiral de papel giraba con la reacción
del fuego.
De esta manera notamos que la
transmisión de calor no fue
directamente por medio de materia,
sino de fluidos, ya que el aire calentado
por el fuego ocasiono el movimiento del
papel, transmitiéndole también el calor
aún estando lejos del cuerpo.
Transmisión por Radiación:
Uno de los ejemplos más claros que
encontramos para demostrar esta
forma de transmisión es en un
microondas, donde se observa desde
un punto de vista físico, en el cual, la
energía que origina hace que las
moléculas del cuerpo afectado vibren,
esto produce ondas de frecuencia
inferior, pero de igual manera, la
transmisión se produce, podemos así
observar que la transmisión por
radiación se produce desde niveles de
energía altos a niveles de energía
bajos, donde no es necesario un
conducto de transporte, como se ve en
el experimento.
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Mecanismos de transferencia de calor
Con los métodos realizados en cada
una de las formas de transmisión de
calor se obtuvo los siguientes
resultados:
Transmisión por Conducción:
En esta forma de transmisión es
necesaria la interacción entre átomos y
la energía cinética que poseen al
recibir corrientes de calor.
La manera en que este tipo de
transmisión se da es por el movimiento
de los átomos en regiones más
calientes, que al poseer mayor energía
cinética que los demás, alteran y
comparten la energía de sus
adyacentes, propagando el calor en
toda la molécula.
En los metales existen electrones
libres, los cuales pueden conducir
energía de una manera más rápida,
propagando el calor a todo el cuerpo en
menor tiempo a comparación de otros
materiales, por eso los metales son
buenos conductores eléctricos.
Es decir, que mientras sea mayor su
constante, su conducción será mejor,
de lo contrario, su conducción sería
más deficiente.
Así como el metal, u otros cuerpos que
son capaces de transmitir o recibir
calor, es importante conocer su
constante de proporcionalidad, porque
determinara si el calor se transmite de
una manera eficiente o deficiente. De la
misma manera, el área del cuerpo es
importante ya que la corriente de
temperatura que posee es
inversamente proporcional a su área,
longitud y a la temperatura.
Entonces, para hallar la corriente de
calor en conducción, se toma en cuenta
el área, la longitud, la temperatura del
cuerpo, y su constante de
proporcionalidad. La fórmula obtenida
es:
Fig. 2
Al estar usando unidades de energía y
tiempo, en otras palabras, potencia,
sería el watt, pero como se usa la
constante k de un material, las
unidades serian W / m*K.
RESULTADOS
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Transmisión por Convección:
El movimiento de un fluido de un lugar
a otro, impulsado por algún medio que
es el que causa ese movimiento, es una
convección forzada, ejemplos de este
tipo de convección son el fluido de la
sangre en las venas, la calefacción de
aire o de agua caliente.
En cambio, el movimiento que sucede
por diferencias entre los materiales de
dos cuerpos como la densidad, que al
tener contacto con el calor se expande,
se le llama convección natural, como lo
es el ascenso del aire caliente.
El proceso de transmisión de calor por
convección es complejo, describirlo en
una ecuación simple no sería posible,
por lo que se explicarán algunos
hechos experimentales:
- El calor emitido por convección
es directamente proporcional al
área superficial del cuerpo
receptor. Así se explica las
aletas de enfriamiento y las
grandes áreas superficiales de
los radiadores.
- La convección natural es
denegada cuando se encuentra
cerca de una superficie estática
que no está en movimiento por la
viscosidad del fluido en el que se
produce la transmisión de calor.
- La corriente de calor transmitida
por convección, se aproxima
proporcionalmente a la potencia
5/4 de la diferencia que hay
entre la temperatura de la
superficie y del cuerpo donde
está el fluido.
Transmisión por Radiación:
Se sabe que todo cuerpo emite
energía, pero si hablamos de una
transmisión por radiación ¿cómo se
realiza esto?, se realiza en forma de
radiación electromagnética, quiere
decir que la energía se transporta en
forma de ondas de infrarrojo con
longitudes mayores que las de la luz
visible, se dice que las longitudes de
onda se desplazan de valores mayores
hacia valores menores. 3
El porcentaje de radiación de energía
de un cuerpo/superficie es proporcional
a su área superficial A, y aumenta con
la temperatura, este porcentaje
depende también de la naturaleza de la
superficie, esta dependencia se
describe con una cantidad “e” llamada
emisividad (un número adimensional
entre 0 y 1 que representa la relación
entre la tasa de radiación de una
superficie y la de un área igual de una
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Mecanismos de transferencia de calor
superficie radiante ideal a la misma
temperatura).
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:
Fig. 3
Donde la constante física fundamental
llamada constante de Stefan –
Boltzmann.
La radiación neta de un cuerpo se
encuentra sujeto a las siguientes
premisas:
Un cuerpo a una temperatura T se dice
que está radiando, si su entorno
también posee una temperatura Ts; se
dice que un cuerpo está en equilibrio
térmico cuando su temperatura
concuerda con la de su entorno, las
tasas de radiación y absorción deben
ser iguales, de estas premisas se
puede decir que:
Fig. 4
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Como vimos previamente los
mecanismos de transmisión de calor
son comunes en nuestra vida cotidiana
desde la transición de calor del sol
hacia nosotros, la conducción de calor
de una hornilla hacia un calentador,
entre otros muchos, nos encontramos
en constante actividad y transmisión de
energía y calor, las formas que vimos
son, convección, conducción y
radiación.
El estudio experimental de las diversas
formas de transmisión del calor dio
como origen ecuaciones con las que se
puede representar cada tipo de
transmisión en específico, por medio de
un análisis profundo de los cuerpos,
calor y el medio que lo propaga.
El uso de métodos experimentales,
para poder explicar y concluir a una
ecuación en la que se pueda
representar el tipo de mecanismo de
transmisión de calor; nos lleva a un
análisis de estos mecanismos donde se
resalta y se estudia a profundidad
elementos como, cuerpos, calor,
constante del material, la cual es
importante para conocer la cantidad de
calor que se transmite al cuerpo.
DISCUSION
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Mecanismos de transferencia de calor
Por lo tanto podemos decir que nos
encontramos en procesos constantes
donde el calor se transmite mediante
una gradiente de temperatura, o es
transferida de una región de alta
temperatura a otra de baja.
Se puede apreciar que la transferencia
de calor conecta los principios de la
termodinámica con los de flujo de
fluidos, todos los procesos de
transferencia de calor comprenden el
intercambio y/o conversión de la
energía, asumiéndose así que obedece
a la primera ley de la termodinámica y
también a la segunda.
Previamente se describieron los
mecanismos de conducción de calor,
estos mismos se encuentran presentes
en nuestra vida cotidiana desde la
conducción de calor de una hornilla
hacia un calentador, hasta la
transmisión de calor del sol hacia
nosotros, entre otros muchos, lo que
nos lleva a pensar que esta transmisión
se realiza de manera natural y continua
pero que no es la misma para todos los
casos, como vimos anteriormente
existen tres tipos, convección,
conducción y por radiación.
Se sabe que, la conducción es la
transferencia de energía que se origina
debido al movimiento molecular dentro
de un material, sin que este se mueva.
Se demuestra que la corriente de calor
H depende del área A por la que fluye
el calor, la longitud L del trayecto de
flujo del calor, la diferencia de
temperatura y la conductividad térmica
k que depende del material.
El estudio experimental de las diversas
formas de transmisión del calor dio
como origen ecuaciones con las que se
puede representar cada tipo de
transmisión en específico, por medio de
un análisis profundo de los cuerpos,
calor y el medio que lo propaga.
CONCLUSIONES
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[1] Wikipedia: la enciclopedia libre.
Temperatura.
http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatur
a
[2] Frank Kreith, Raj M. Manglik y Mars
S.Bohn . (2012). [Online}. Principios de
transferencias de calor.
https://books.google.com.pe/books?id=
xr4uAzjOquoC&pg=PA497&lpg=PA49
7&dq=Frank+Kreith,+Raj+M.+Manglik+
y+Mars+S.Bohn+%E2%80%93+Princi
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0Kreith%2C%20Raj%20M.%20Manglik
%20y%20Mars%20S.Bohn%20%E2%
80%93%20Principios%20de%20transf
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[3] Young, Freedmam, Sears,
Zemansky. (2009). Fisica Universitaria
(decimosegunda ed.) [Online]. (1)
http://fisica1.fisica.edu.uy/Ebooks/Fisic
a%20Universitaria%2012E%20-
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BIBLIOGRAFIA