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Sumario Introducción a la transferencia de calor
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Resumen de los conceptos básicos sobre los mecanismos de transferencia de calor abarcando definiciones, ecuaciones, ejemplos y ejercicios.
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Resumen deTransferencia de calor
Parte I: Introducción a la Transferencia de calor
En la ingeniería es común el análisis de procesos relacionados a la transferencia de calor de un
sistema con sus alrededores, por ende, el análisis termodinámico respecto a las formas de
intercambio de calor, son fundamentales en aplicaciones reales con la finalidad de emplear una
energía útil requerida para un proceso o ser tomado como una condición para modelar las
propiedades que conlleve a un funcionamiento apropiado de un equipo.
Autores:
GABRIEL ALBORNOZ
GEOSWALD MENDOZA
, INTRODUCCIÓN
¿Qué es la transferencia de calor?
Usted, el lector, probablemente haya notado que, si deja el café de la mañana sobre la
mesa de la cocina por mucho tiempo, este se comenzará a enfriar; su temperatura
disminuirá hasta que el café este “frio”, lo mismo que si su plato del almuerzo, recién
hecho y caliente, es dejado sobre el comedor. Tome una lata de refresco fría sacada
del congelador, déjela sobre la mesa y ocurrirá el efecto contrario: a medida que pase el
tiempo, su temperatura cambiara hasta que esta se ponga “caliente”.
De la termodinámica (la cual se le recomienda al lector que este, por lo menos,
ligeramente familiarizado) sabemos que la temperatura de los cuerpos está
directamente relacionada con su energía. También sabemos que, si entre dos cuerpos
en contacto tenemos una diferencia de temperatura, se producirá entre ellos un
“traspaso” de energía de un cuerpo (el de mayor temperatura) hacia el otro (el de menor
temperatura), hasta que ambas sean iguales. Este traspaso de energía es lo que
nosotros denominamos como calor. La transferencia de calor es la ciencia que estudia
la razón con la cual se produce esta transferencia; en otras palabras, es la ciencia que
estudia las cantidades de energía “traspasada” de un cuerpo a otro por unidad de
tiempo.
Dado un determinado cuerpo o sistema, al cual se le está “suministrado” calor desde el
exterior (alrededores), y haciendo uso del análisis termodinámico, uno pudiera
determinar (dado los datos necesarios) la cantidad de calor requerido para que dicho
sistema pase de una temperatura inicial (T1), a una temperatura final (T2); la
termodinámica lidia con estos casos donde solo nos interesa conocer los estados
finales e iniciales de los cuerpos, o lo que es igual, sus estados de equilibrio. Pero, qué
pasaría si, por ejemplo, ¿se quisiera conocer el tiempo que tarda el sistema en pasar de
un estado a otro? ¿Cómo se puede calcular el tiempo que tardaría la taza de café en
ponerse “fría”? Es aquí, cuando nuestros conocimientos de termodinámica llegan a un
límite, más allá del cual no podemos responder estas interrogantes, y precisamos de
una profundización mucho más extensa del fenómeno de la transferencia de calor y sus
diferentes modos.
, Las aplicaciones de la transferencia de calor pueden ir desde objetos domésticos
comunes como el TV, el DVD, la laptop o computadora de escritorio, el sistema de A/C,
llegando hasta equipos industriales como los intercambiadores de calor
(condensadores, evaporadores), calderas, equipos rotativos, sistemas de tuberías, etc.;
es por ello que su estudio es de extrema importancia para el ingeniero y una
herramienta indispensable para cualquier industria.
Transferencia de Calor y Masa
La íntima relación entre la termodinámica y la transferencia de calor, nos exige
necesariamente hacer un breve repaso de algunos de los conceptos básicos que se
imparten en un curso introductorio de termodinámica clásica, esto es, conceptos como
el de balance de energía (primera ley de la termodinámica).
Balance de Energía (Primera Ley de la Termodinámica)
La primera ley de la termodinámica, es la máxima física que todos hemos escuchado
alguna vez en nuestras vidas: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Este enunciado, aplicado a los procesos, esto es, a los cambios de estado de un
sistema, puede ser representado mediante la siguiente relación matemática:
𝑬𝒆𝒏𝒕 − 𝑬𝒔𝒂𝒍 = 𝜟𝑬𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂 (J)
O, en forma de razón de cambio:
𝑬̇𝒆𝒏𝒕 − 𝑬̇𝒔𝒂𝒍 = ⅆ𝑬̇𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂 ∕ ⅆ𝒕 (W)
Si el sistema es estacionario, es decir, no sufre variaciones en sus propiedades a
medida que varía el tiempo, entonces la dEsistema/dt se hace cero, y la expresión queda
simplemente como:
𝑬̇𝒆𝒏𝒕 = 𝑬̇𝒔𝒂𝒍 (W)
O, como se dice de forma algo coloquial, “todo lo que entra es igual a todo lo que sale.”
Esto se puede visualizar mejor en la figura 1:
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