Operaciones de calo.tarea1

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Facultad de Ingeniería Química
Poza Rica- Tuxpan

Operaciones de Transferencia de Calor
FACILITADOR: Dr. Miguel Angel Cabrera Morales

TAREA No. 1.1
- Importancia de la transferencia de Calor en la
IQ.
- Mecanismos de transferencia de Calor

Patricia Vital López
IQ-2-VI

Poza Rica De Hidalgo, Veracruz, a 13 de febrero del 2012

Operaciones de transferencia de calor 2012

Importancia de la transferencia de Calor en la Ingeniería
Química
La ciencia que trata de determinación de las velocidades de las transferencias de
energía, es la transferencia de calor. Es común encontrar la transferencia de calor en
los sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos
para ver algunas de sus áreas de aplicación. Muchos aparatos domésticos se han
diseñado, en su totalidad o en parte, aplicando los principios de la transferencia de
calor.

El equipo de transferencia de calor –como los intercambiadores de calor, las calderas,
los condensadores, los radiadores, los hornos, los refrigeradores y los colectores
solares- está diseñado tomando en cuenta el análisis de la transferencia de calor.

Mecanismos de Transferencia de Calor
Hay tres mecanismos fundamentales de transmisión de calor: conducción, convección y
radiación. Los tres tipos de transmisión de calor se pueden producir al mismo tiempo y
es aconsejable tener en cuenta la transmisión de calor por cada uno de esos tipos en
cada caso particular.

Transmisión de calor por Conducción
Conducción es la transmisión de calor desde una parte de un cuerpo a otra del mismo
cuerpo, o bien, desde un cuerpo a otro que esté en contacto físico con él, sin
desplazamiento apreciable de las partículas del cuerpo. (Robert H. Perry, tomo 1, pág.
5- 9, 2010).

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una
sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de interacciones
entre esas partículas. La conducción puede tener lugar en sólidos, líquidos o gases.
(Yunus A. Cengel, pág. 17, 1998).

La conducción del calor se lleva a cabo debido a que las moléculas que se mueven más
rápido en la parte más caliente de un cuerpo comunican mediante impactos una parte
de sus energías a las moléculas adyacentes. ( Pág.43).

1 Patricia Vital López


En los gases y líquidos la conducción se debe a las colisiones y a al a difusión de las
moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de
las vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de
los electrones libres.

La transferencia de calor tiene dirección, así como magnitud. La velocidad de la
conducción del calor en una dirección específica es proporcional al gradiente de
temperatura, el cual es el cambio en la temperatura por unidad de longitud en esa
dirección. En general la conducción del calor en un medio es tridimensional y depende
del tiempo. Se dice que la conducción de calor en un medio es estable cuando la
temperatura no varía con el tiempo, y no es estable o transitoria cuando sí varía.

Se dice que la conducción del calor en un medio unidimensional cuando la conducción se
realiza significativamente sólo en una dirección y es despreciable en las otras dos
dimensiones, bidimensional cuando la conducción en la tercera dimensión es
despreciable y tridimensional cuando la conducción en todas las dimensiones es
significativa. (Yunus A. Cengel, pág. 61, 1998).

La velocidad de la conducción del calor a través de una capa plana es proporcional a la
diferencia de temperatura a través de esta y el área de transferencia de calor, pero
es inversamente proporcional al espesor de esa capa; es decir,

O bien,

(w)

En donde la constante de proporcionalidad k es la conductividad térmica del material,
que es una medida de la capacidad de un material para conducir calor.

Esta ecuación es conocida como la Ley de Fourier. Aquí, dT/dx es gradiente de
temperatura, el cual es la pendiente de la curva de la temperatura en un diagrama T-x
(la razón de cambio de T con respecto a x), el calor es conducido en la dirección de la
temperatura decreciente y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando
esta ultima decrece al crecer x. el signo negativo en la ecuación, garantiza que la
transferencia de calor en la dirección x positiva sea una cantidad positiva.



Ejemplo 1: Cuando se llega el momento en que una bebida enlatada fría en un cuarto
cálido se calienta hasta la temperatura ambiente como resultado de la transferencia
de calor por conducción, del cuarto hacia la bebida, a través del aluminio.

Ejemplo 2: Este tipo de procesos están representados en el enfriamiento y
calentamiento de equipos y piezas de maquinaria, latas de conservas, el calentamiento
de una plancha, etc. (LIBRO QUE NO TIENE AUTOR PÁG. 89)

 Propiedades de materiales que influyen en la transferencia de calor por
conducción:

El producto Cp, que se encuentra con frecuencia en análisis de la
transferencia de calor, se llama capacidad calorífica de un material.
Tanto el calor específico Cp representa la capacidad de almacenamiento
de calor de un material. Cp expresa por unidad de masa, en tanto que Cp
la expresa por unidad de volumen, como se puede advertir a partir de sus
unidades J/kg.°C y J/m3 , respectivamente.
En régimen transitorio, la difusividad térmica, la cual representa cuán
rápido se difunde el calor por un material y se define como:
(m2/s).

Transferencia de calor por convección
Convección es la transmisión de calor desde un punto a otro, dentro de un fluido, un
gas o un líquido, mediante la mezcla de una porción del fluido con otra. En la convección
natural, el movimiento del fluido se debe totalmente a diferencias de la densidad como
resultado de las diferencias de temperatura; en la convección forzada, el movimiento
se produce por medios mecánicos. Cuando la velocidad forzada es relativamente baja
se debe entender que los factores de convección libre como las diferencias de
temperatura y densidad pueden tener una influencia importante. (Robert H. Perry,
tomo 1, pág. 5- 9, 2010).

La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el
líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende los efectos combinados
de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un
fluido mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier
movimiento masivo de fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el
fluido adyacente es por conducción pura. (Yunus A. Cengel, pág. 25, 1998).


La convección recibe el nombre de convección forzada si el fluido es forzado a fluir
sobre la superficie mediante medios externos como un ventilador, una bomba o el
viento. Como contraste, recibe el nombre de convección natural (o libre) si el
movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las
diferencias de densidad debidas a la variación de la temperatura en ese fluido.

Los procesos de transferencia de calor que comprenden cambios de fase de un fluido
también se consideran como convección a causa del movimiento de ese fluido inducido
durante el proceso, como la elevación de las burbujas de vapor durante la ebullición o
la caída de las gotitas de líquido durante la condensación.

A pesar de la complejidad de la convección, se observa que la rapidez de la
transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y
se expresa de forma conveniente por la Ley de Newton del enfriamiento como:

En donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, en W/m 2 °C, A
es el área superficial a través de la cual tiene lugar la transferencia de calor por
convección, Ts es la temperatura de la superficie y T es la temperatura del fluido
suficientemente alejado de esta superficie. (Yunus A. Cengel, pág. 26, 1998).

El coeficiente de transferencia de calor por convección h no es una propiedad del
fluido. Es un parámetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende
de las variables que influyen en la convección.

Ejemplos 1: Enfriamiento en agua fría de un huevo cocido por medio de un ventilador
y otro caso de convección forzada enfriándolo con un aspa giratoria dentro del
recipiente donde se encuentra sumergido el huevo cocido.

Ejemplo 2: Al soplar sobre un alimento, se recurre a la convección forzada siempre
que se requiera aumentar la transferencia de calor.



Transferencia de calor por radiación

Radicación es la transmisión de calor desde un cuerpo a otro, que no se encuentra en
contacto con él, por medio del movimiento de ondas a través del espacio. (Robert H.
Perry, tomo 1, pág. 5- 9, 2010).

La radiación la energía emitida por la materia en forma de ondas
es
electromagnéticas, como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas
de los átomos o moléculas. (Yunus A. Cengel, pág. 27, 1998).

La transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio
interpuesto. De hecho la transferencia de energía por radiación es la más rápida y no
sufre atenuación en el vacío.

la radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten,
absorben o transmiten radiación en diversos grados.

La velocidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una
temperatura Ts se expresa por la ley de Stefan-Boltzmann como:

La superficie idealizada que emite radiación a esta velocidad máxima se llama cuerpo
negro y la radiación emitida por este es la radiación del cuerpo negro.

 Propiedades que influyen en la radiación:

La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por
un cuerpo a la misma temperatura y se expresa como:

Donde es la emisividad de la superficie. La emisividad es un valor que dice cuán
próxima está una superficie de ser un cuerpo negro, para el cual .

Otra importante propiedad relativa a la radiación de una superficie es la
absortividad , la cual es la fracción de la energía de radiación incidente sobre
una superficie que es absorbida por ésta.



En general, tanto como de una superficie dependen de la temperatura y de la
longitud de onda de la radiación. La Ley de Kirchoff de la radiación afirma que la
emisividad y la absortividad de una superficie a una temperatura y longitud de ondas
dadas son iguales.

La velocidad a la cual una superficie absorbe la radiación de determina a partir de :

Donde es la velocidad a la cual la radiación incide sobre la superficie y es la
absortividad de la superficie.

Ejemplo 1: La manera en que la energía del sol llega a la tierra.

Ejemplo 2: Materiales refractarios.

Bibliografía:

Cengel, A. Yunus. Transferencia de Calor. “Mecanismos de transferencia de calor”.
Segunda Ed. Mc Graw Hill. 1998. Pags. 5-9, 17, 27, 61.

Perry, Robert H., Manual del Ing. Químico. Transferencia de Calor. Tomo 1, pág. 5- 9,
2010.


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