Fundamentos de transferencia de calor, termodinámica y mecánica de fluidos

Transferencia de calor

La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

Tipos de transferencia de calor

• Conducción: en sólidos.
• Convección: en líquidos y gases.
• Radiación: transferencia por ondas electromagnéticas.

Corriente calorífica (H)

La corriente calorífica H se define como la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t, en la dirección de mayor temperatura a menor temperatura.

Termodinámica

La termodinámica estudia la energía: la capacidad para producir cambios. La palabra es la unión de los vocablos griegos thermos (calor) y dynamis (potencia).

Conceptos clave

• Entropía: es el grado de desorden molecular interno de un sistema físico.
• Energía interna: es la suma de todas las energías cinéticas y potenciales de las moléculas.
• Energía térmica: es la parte de la energía de un cuerpo que puede transferirse a otro cuerpo.
• Calor: es el flujo de energía térmica debido a la diferencia de temperatura entre dos cuerpos en contacto térmico.

Procesos termodinámicos

Un sistema pasa por un proceso termodinámico cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas cambia.

• Isotérmico: procesos en que la temperatura es constante.
• Isobárico: procesos en que la presión es constante.
• Isocórico: procesos en los que el volumen no cambia.
• Adiabático: procesos en los que no hay transferencia de calor hacia o desde el sistema.

Mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos estudia las fuerzas y energías que actúan sobre los fluidos en reposo y en movimiento. Aplica principios de la mecánica y la termodinámica. Estudia líquidos y gases en dos condiciones principales: hidrostática e hidrodinámica.

Definiciones y aplicaciones

• Fluido: un líquido o un gas.
• Se aplica en: transporte de fluidos, generación de energía, control ambiental y transporte terrestre.

Estados de la materia y deformación

• Sólidos: mantienen su forma y su volumen.
• Líquidos: mantienen su volumen pero no su forma.
• Gases: no mantienen ni su forma ni su volumen.

El proceso de cambio de forma en mecánica se llama deformación. Un fluido (líquidos y gases) se deforma continuamente cuando es sometido a esfuerzos de corte.

Propiedades y magnitudes

• Densidad: es la concentración de masa en un volumen determinado.
• Presión: es la concentración de fuerza sobre una superficie.
• Flujo másico: es la masa de un fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo.
• Caudal: es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del conducto (tubería, cañería) por unidad de tiempo.

Número de Reynolds

El número de Reynolds es un número adimensional que permite predecir el comportamiento de un flujo de fluido: flujo laminar o turbulento. Aproximadamente, valores menores a 2000 indican flujo laminar y valores mayores a 4000 indican flujo turbulento (entre ambos existe una región de transición).

La determinación de este número para tuberías de sección circular requiere conocer la densidad del fluido, la velocidad media del flujo, el diámetro interior de la tubería y la viscosidad del fluido.

Sistema CGS

Sistema CGS: centímetro, gramo, segundo.

Nota final

Los conceptos anteriores constituyen la base para el estudio aplicado y teórico de procesos térmicos y de transporte en ingeniería. Mantener claras las definiciones y unidades es esencial para el diseño y análisis de sistemas.