Fundamentos de la Transferencia de Calor y Termodinámica

Conceptos Fundamentales de la Transferencia de Calor

Mecanismos de Transferencia de Energía

• Calor latente: Es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, ya sea de sólido a líquido (fusión) o de líquido a gas (evaporación).
• Conducción: Se define como la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas. Puede tener lugar en un líquido, gas o sólido. La rapidez de su conducción depende de la configuración geométrica de este, su espesor y el material. En los líquidos y gases, se debe a la colisión molecular; en los sólidos, a las vibraciones de la red y al transporte de electrones.
• Convección: Es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que se encuentra en movimiento. Se expresa mediante la relación: h A_s (T_s - T_∞).
• Radiación: Es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas.

Leyes y Coeficientes de Transferencia

Ley de Fourier

Esta ley afirma que existe una proporcionalidad entre la transferencia de calor y el gradiente de temperatura. El flujo de calor a través de la superficie es proporcional a la diferencia de temperatura (dT) entre distintas partes del cuerpo. El término dT/dx representa el gradiente de temperatura, cuya pendiente decreciente indica que el calor es conducido en forma decreciente. El área considerada es normal a la transferencia de calor.

Ley de Enfriamiento de Newton

Establece que el calor transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por convección, conducción o radiación es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio externo.

Coeficiente de Transferencia de Calor (h)

Este coeficiente depende de la configuración geométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, sus propiedades y su velocidad.

Propiedades Térmicas de la Materia

Conductividad Térmica (k)

Es la medida de la capacidad de un material para conducir calor. Se define como la razón de transferencia de calor a través de un espesor por unidad de área y diferencia de temperatura. Mientras mayor sea la temperatura, mejor es la transferencia de calor (independientemente de la presión). Su valor es máximo en sólidos y mínimo en gases; en los líquidos, generalmente decrece a medida que la temperatura aumenta. En los sólidos, aumenta si existe un mayor comportamiento electrónico.

Difusividad Térmica

Representa la razón entre el calor conducido a través del potencial y el calor almacenado por unidad de volumen: q_conducido / q_almacenado.

Sistemas y Configuraciones Físicas

Estado Estacionario

Es el estado en el cual un sistema físico no varía sus características a través del tiempo.

Conexiones en Serie

Son aquellas que tienen sus resistencias conectadas en la misma línea existente entre los extremos de la placa.

Conexiones en Paralelo

Son aquellas que tienen sus resistencias conectadas por varias vías alineadas paralelamente entre sí.