Transferencia de calor

La cantidad de calor necesaria para subir o bajar la temperatura de un peso determinado de un cuerpo se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

Q = WC (T₂ - T₁)

donde

• W = peso del material
• C = calor específico del material
• T₂ = temperatura final del material
• T₁ = temperatura inicial del material

Ejemplo 1- ¿Cuál es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una masa de 1,5 kg a 120° C si el calor específico de la masa es de 0,37 cal /g° C?

Q = 1.5 × 1000 g × 0.37 cal/g°C × 120°C = 66,600 cal

Como siempre, se debe tener cuidado al seleccionar las unidades correctas. Las respuestas negativas indican extracción de calor o pérdida de calor. La conducción de calor a través de un material se deriva de la siguiente relación:

donde

• Q = tasa de transferencia de calor
• k = conductividad térmica del material
• A = área de la sección transversal del flujo de calor
• T₂ = temperatura del material alejado de la fuente de calor
• T₁ = temperatura del material adyacente a la fuente de calor
• L = longitud del camino a través del material

Nota; el signo negativo en la ecuación anterior indica un flujo de calor positivo.

Ejemplo 2- La pared de un horno de 12 pies cuadrados de área y 6 pulgadas de espesor tiene una conductividad térmica de 0.14 BTU/h ft °F. ¿Cuál es la pérdida de calor si la temperatura del horno es de 1100 °F y el exterior de la pared es de 102 °F?

Ejemplo 3- La pared exterior de una habitación tiene 4 × 3 m y un espesor de 0,35 m. ¿Cuál es la pérdida de energía por hora si las temperaturas interior y exterior son de 35 ° C y −40 ° C respectivamente? Suponga que la conductividad de la pared es 0.13 W / mK.

En la práctica, los cálculos de convección de calor no son tan sencillos como los de conducción. Sin embargo, la convección de calor viene dada por

Q = hA (T₂ - T₁)

donde

Q = tasa de transferencia de calor por convección

h = coeficiente de transferencia de calor

A = área de transferencia de calor

T₂ - T₁ = diferencia de temperatura entre la fuente y la temperatura final del medio de flujo

Cabe señalar que, en la práctica, la elección adecuada de h es difícil debido a su dependencia de un gran número de variables (como densidad, viscosidad y calor específico). Hay gráficos disponibles para h. Sin embargo, se necesita experiencia en su aplicación.

Ejemplo 4 - ¿Cuánto calor se transfiere desde una superficie de 25 pies × 24 pies por convección si la diferencia de temperatura entre las superficies frontal y posterior es de 40 °F y la superficie tiene una tasa de transferencia de calor de 0.22 BTU / h ft² °F?

Q = 0.22 × 25 × 24 × 40 = 39,600 BTU/h

La radiación de calor depende del color de la superficie, su textura, las formas involucradas y otros factores. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta más información que la relación básica para la transferencia de energía térmica radiante dada a continuación. La transferencia de calor radiante está dada por

donde

• Q = calor transferido
• C = constante de radiación (depende del color de la superficie, la textura, las unidades utilizadas y otros)
• A = área de la superficie radiante
• T₂ = temperatura absoluta de la superficie radiante
• T₁ = temperatura absoluta de la superficie receptora

Ejemplo 5 - La constante de radiación para un horno es 0.23 × 10⁻⁸ BTU / h ft² °F⁴, el área de la superficie radiante es 25 ft². Si la temperatura de la superficie radiante es de 750 °F y la temperatura ambiente es de 75 °F, ¿cuánto calor se irradia?

Ejemplo 6 - ¿Cuál es la constante de radiación para una pared de 5 m × 4 m, si la pérdida de calor irradiado es 62.3 MJ / h cuando la pared y la temperatura ambiente están a 72 °C y 5 °C?

Expansión térmica

La expansión lineal de un material es el cambio en la dimensión lineal debido a cambios de temperatura y se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:

donde

• L₂ = longitud final
• L₁ = longitud inicial
• α = coeficiente de expansión térmica lineal
• T₂ = temperatura final
• T₁ = temperatura inicial

La expansión del volumen en un material debido a cambios de temperatura viene dada por

donde

• V₂ = volumen final
• V₁ = volumen inicial
• β = coeficiente de expansión térmica volumétrica
• T₂ = temperatura final
• T₁ = temperatura inicial

Ejemplo 7 - Calcule la longitud y el volumen de un cubo de cobre de 200 cm de longitud a 20 ° C, si la temperatura aumenta a 150 ° C.

En un gas, la relación entre la presión, el volumen y la temperatura del gas viene dada por

donde

• P₁ = presión inicial
• V₁ = volumen inicial
• T₁ = temperatura absoluta inicial
• P₂ = presión final
• V₂ = volumen final
• T₂ = temperatura absoluta final