Termodinámica y Ondas Mecánicas (página 3)

Ecuación para la conducción del calor

42 Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente (Gp:) k

Buenos conductores Malos conductores La conductividad térmica cambia con el estado de agregación … pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción

43 (Gp:) Conductividad térmica

(Gp:) Área

(Gp:) A

(Gp:) Espesor

(Gp:) Calor transferido en el tiempo t

EJEMPLO 1: CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana) Integración de la ecuación de Fourier

44 Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC respectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0.25 W·m-1·K Gradiente de temperaturas Densidad de flujo (Gp:) Tfuera

(Gp:) xdentro (Gp:) xfuera

Gradiente de temperaturas constante ? ? la temperatura varía linealmente Gradiente de temperaturas constante ? ? densidad de flujo constante (Gp:) 0.34 m

(Gp:) Tdentro

45 Resistencias térmicas Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción (Gp:) x

(Gp:) T1 (Gp:) T2

(Gp:) Conductividad

(Gp:) Resistencia térmica en W-1·m2·K

Similitud con circuitos eléctricos (Gp:) I (Gp:) Vo (Gp:) R (Gp:) =

46 Ejemplo. Resistencias en serie (Gp:) R1 (Gp:) R2

Resistencia equivalente = suma de resistencias Ejemplo Calcúlese la resistencia térmica de la pared de un refrigerador, formada por tres capas de material, cuyos espesores son, de dentro afuera 2 cm, 10 cm y 3 cm. Las conductividades térmicas de los tres materiales son, respectivamente, 0.25, 0.05 y 0.20 W· m-1 ·K-1. (Gp:) W-1·m2·K

(Gp:) W-1·m2·K

(Gp:) W-1·m2·K

(Gp:) Resistencias en serie (Gp:) W-1·m2·K

(Gp:) R1 (Gp:) R2

(Gp:) 2 (Gp:) 10 (Gp:) 3 (Gp:) (cm)

47 CONVECCIÓN La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad. Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye. Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie. El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso.

Transferencia de calor por convección La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y líquido o gas adyacente que está en movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la transferencia de calor por convección.

48

49 Ley de enfriamiento de Newton (Gp:) Temperatura superficial

(Gp:) Temperatura del fluido libre

(Gp:) Coeficiente de convección

(Gp:) Superficie de intercambio

(Gp:) T superficial

(Gp:) T fluido libre

Capa límite (Gp:) ?T

Transferencia de calor por convección 50

51 (Gp:) Valores típicos del coeficiente de convección

Transferencia de calor por radiación Las energías radiantes podemos mencionar: Los rayos cósmicos Rayos x Rayos gama Rayos ultravioleta La luz visible Rayos infrarrojos Ondas de radio

TERMODINÁMICA Es la ciencia que analiza las leyes de la transferencia de energía y el estudio de las propiedades de las sustancias involucradas. CONCEPTOS PREVIOS SISTEMA TERMODINÁMICO Es aquella región del espacio que se va a seleccionar para analizar los fenómenos que ocurren en él. Un sistema termodinámico es: Sistema Cerrado Sistema Abierto

Sistema Cerrado Cuando no existe transferencia de masa entre el sistema y sus alrededores o ambiente. El Sistema Cerrado a su vez puede ser:

Sistema Aislado Sistema Adiabático (Gp:) Sistema Cerrado m=cte (Gp:) límite o frontera del sistema

Sistema Aislado Es un sistema cerrado incapaz de interactuar energéticamente con el medio que lo rodea, es decir, no intercambia calor, masa, trabajo con el medio circundante

Sistema Adiabático Es un sistema cerrado que se caracteriza por ser impermeable al calor fundamentalmente, es decir, no admite ni emite calor a través de su límite o frontera. (Gp:) Sistema Adiabático (Gp:) Q=0

Sistema Abierto Es aquel que intercambia masa con el medio que lo rodea a través de su límite o frontera. Ejemplo: El motor de un automóvil, una bomba de agua, una turbina, etc.

EQUILIBRIO TERMODINAMICO Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico con su medio interior cuando no hay transferencia energética que altere sus propiedades termodinámicas, o sea, no hay cambio de estado

EQUILIBRIO TERMICO Sucede cuando entre sistemas y su medio exterior no hay transferencia de calor. Esto se observa cuando las temperaturas son iguales

LEYES DE LA TERMODINAMICA

Permítase que un sistema cambie de un estado inicial i aun estado final de equilibrio f, en un camino determinado, siendo Q el calor absorbido por el sistema y W el trabajo hecho por el sistema. Después calculamos el valor de Q-W. A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado i hasta el estado final f, pero en esta ocasión por un camino diferente, lo, hacemos una y otra ves, usando diferentes caminos en cada caso encontramos que en todos los intentos Q-W es la misma. Esto es, que aunque Q y W separadamente dependen del camino, Q-W no depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del estado i hasta el estado f, sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).

Primera ley de la Termodinámica