jueves, 29 de enero de 2009

Radiación


PROCESOS Y PROPIEDADES

La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas.

Radiación térmica: intensidad con que la materia emite energía como resultado de su temperatura finita. La transferencia de calor mediante radiación térmica no requiere materia. La presencia del vacío, evita la pérdida de energía desde la superficie de un sólido por convección o conducción, este mecanismo de transferencia de calor es empleado en muchos procesos industriales de calentamiento, enfriamiento y de secado.
El mecanismo de emisión de radiación se relaciona con al energía liberada como consecuencia de oscilaciones o transiciones de los electrones que constituyen la materia. (Energía interna y temperatura). Para gases y sólidos semitransparentes, como vidrio y cristales de sal a temperaturas elevadas, la emisión es un fenómeno volumétrico.

PROCESOS DE EMISIÓN DE CALOR

Fenómeno volumétrico, la radiación que emerge de un volumen finito de materia es el efecto integrado de la emisión local a través del volumen.

La radiación térmica suele considerarse como un fenómeno superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que la radiación emitida por las regiones interiores de un material de este tipo nunca pueden llegar a la superficie y la radiación incidente sobres esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia dentro en dichos sólidos.

La radiación térmica, dentro del espectro electromagnético, es la parte intermedia (0.1 a 100 µm), que incluye parte de la UV y todo el visible y el infrarrojo (IR).

La energía radiante depende de las características de la superficie y de la temperatura del cuerpo emisor. Al incidir sobre un receptor, parte de la energía pasa a este otro cuerpo, dependiendo de las características del mismo y de su poder de absorción. Esta energía se traduce en un aumento de la temperatura del segundo cuerpo.
La energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta a que se encuentre y de la naturaleza de la superficie.
La radiación se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones y se mide determinando su energía de intensidad (en Kw) por unidad de superficie (m2): Radiación = Kw/m2

La masa en reposo de un fotón (que significa luz) es idénticamente nula. Por lo tanto un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se puede mantener en reposo. Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la radiación está relacionada con la energía de los fotones, por una ecuación desarrollada por Planck:
E = hc/λ
Donde h se llama constante de Planck, su valor es h = 6.63 X 10-34 J

La propagación de calor se da a través de ondas electromagnéticas el cual es capas de viajar a través del vacío a una velocidad de 300000 kilómetros por segundo. La energía radiante consta de un campo eléctrico oscilante acompañado por un campo magnético. Algunas de las ondas electromagnéticas son como la longitud de onda, frecuencia, velocidad, etc.

La longitud de onda es la distancia entre cresta y cresta de una onda, la frecuencia es el numero de ondas que pasan en un punto dado en la unidad de tiempo.

La Potencia Emisiva es la cantidad de energía radiante provocada por las longitudes de onda emitidas por un cuerpo, por unidad de área y de tiempo. Su unidad esta dada en Btu / (h) (pie2).

Según la ley de Kirchoff dice que “La absortividad de un cuerpo es igual a su emisividad si las temperatura de la fuente de la radiación incidente y la del cuerpo son iguales.”


donde:
a = absorbencia
r = reflexividad
T = transmisividad


CUERPO NEGRO
No todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiante cuando se calientan a la misma temperatura. Un cuerpo que absorba o emita a una temperatura determinada la máxima cantidad de energía se denomina superficie negra o simplemente cuerpo negro. Un cuerpo negro perfecto no existe en la realidad, sino que es un ente ideal que se utiliza como referencia respecto a otros radiadores.
El cuerpo negro es entonces, un cuerpo imaginario que se supone con capacidad para absorber toda la radiación térmica incidente; es decir, aquel en el que a =1 y r=0. Este es el cuerpo "absolutamente negro", o, en otras palabras, un absorbente perfecto de la radiación. Se llaman "negros" porque las superficies pintadas de negro suelen presentar poderes absorbentes muy altos.

LEY DE STEFAN-BOLTZMAN
Si un cuerpo negro perfecto radia energía, la radiación total puede se determinada por la ley de Planck. Mediante la ecuación:
La ecuación anterior es el área bajo la curva de a y establece que la radiación total de un cuerpo negro perfecto es proporcional a la cuarta parte de la temperatura absoluta del cuerpo. Esto se conoce como la ley de Stefan-Boltzmann. La constante 0.173 x 10-8 Btu / (h) (pie2)(ºR4) se conoce como la constante de Stefan-Boltzmann designada comúnmente por . Esta ecuación también fue deducida por Boltzmann de la segunda ley de la termodinámica. La ecuación anterior sirve como la principal correlación en los cálculos de fenómenos de radiación y es a la radiación lo que es a la convección.

Dicha ecuación fue obtenida para un cuerpo negro perfecto. Si un cuerpo no es negro la ecuación se transforma a:
y
Las presentes ecuaciones se han desarrollado al cambio de energía cuando la radiación ocurre únicamente desde un cuerpo simple, y se ha supuesto que la energía, una vez que se irradia, no vuelve más a la fuente.

miércoles, 28 de enero de 2009

Convección




TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos.
Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.
La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica o asistida).
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Tipos de Convección

En el estudio de la convección se suele diferenciar entre convección forzada y convección libre. La convección libre consiste en la transferencia de calor cuando el fluido suficientemente lejos del sólido está parado y la convección forzada se produce cuando el fluido se mueve lejos del sólido. Por ejemplo, el radiador de un coche tiene un ventilador que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que contiene (convección forzada); en cambio, una estufa, un brasero o un radiador de calefacción calienta el aire que le rodea pero el aire "no se mueve" (convección libre).

Ley de enfriamiento de Newton.
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:


Donde h es el coeficiente de conveccióncoeficiente de película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

La transferencia de calor por convección depende de las propiedades del fluido, de la superficie en contacto con el fluido y del tipo de flujo. Entre las propiedades del fluido se encuentran: la viscosidad dinámica, la conductividad térmica, la densidad. También se podría considerar que depende de la viscosidad cinemática. Entre las propiedades de la superficie que intervienen en la convección están la geometría y la aspereza. El tipo de flujo, laminar o turbulento, también influye en la velocidad de transferencia de calor por convección.

NÚMEROS ADIMENSIONALES
En el análisis de la convección es práctica común quitar las dimensiones a las expresiones físico-matemáticas que modelan el mecanismo y agrupar las variables, dando lugar a los números adimensionales. En convección se emplean los siguientes números adimensionales:

A) Número de NUSSELT (Nu).- Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría si sólo existiese conducción.
Cuanto mayor es el número de Nusselt más eficaz es la convección
Un número de Nusselt de Nu = 1, para una capa de fluido, representa transferencia de calor a través de ésta por conducción pura.
El número de Nusselt se emplea tanto en convección forzada como natural

B) Número de PRANDTL (Pr) .- Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica:
El número de Prandtl va desde menos de 0.01 para los metales líquidos hasta más de 100.000 para los aceites pesados. El Pr es del orden de 10 para el agua. Los valores del número de Prandtl para los gases son de alrededor de 1, lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como de calor se difunden por el fluido a una velocidad similar.
El número de Prandtl se emplea tanto en convección forzada como natural.

C) Número de REYNOLDS (Re).- Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.
Un valor grande del número de Reynolds indica régimen turbulento.
Un valor pequeño del número de Reynolds indica régimen laminar.
El número de Reynolds sólo se utiliza en convección forzada.

D) Número de GRASHOF (Gr).- Representa la relación que existe entre las fuerzas de empuje y las fuerzas viscosas que actúan sobre el fluido. Es un indicativo del régimen de flujo en convección natural, equivalente al número de Reynolds en convección forzada.
El número de Grashof sólo se utiliza en convección natural.

E ) Número de RAYLEIGH (Ra).- Es función del número de Grashof y del número de Prandtl. Su valor es el número de Grashof multiplicado por el número de Prandtl.
El número de Rayleigh sólo se utiliza en convención natural .

Conducción


Se dice que el calor se trasmite por conducción cuando en la propagación de calor no existe desplazamiento de materia. En términos moleculares, este tipo de trasmisión se produce por la interacción de los átomos y moléculas de elevada energía cinética con los de energía cinética menor. Así mismo también se define como 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.

Transferencia de calor por conducción.

Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que hay una transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:


Cuando se introduce la constante de proporcionalidad:


en donde:
• es la rapidez de transferencia de calor
• δT/δx es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor.
• k se le llama la conductividad térmica del material,

El signo menos se inserta para que se satisfaga el segundo principio de la termodinámica, es decir, el calor deberá fluir hacia abajo en la escala de temperatura.

La ecuación se le llama la ley de conducción de calor de Fourier que define la conductividad térmica. Este coeficiente se define, pues, como el valor numérico de la cantidad de calor que atraviesa una placa de espesor igual a la unidad de longitud y superficie también unitaria perpendicular al flujo de calor, en la unidad de tiempo, cuando la temperatura de sus dos caras es de 1°C. la unidad del coeficiente expresada a partir de la caloría, es la kcal*m/m2h°C. En el SI la unidad de conductividad es el J*m/m2s o lo que es lo mismo j/ms°k. la equivalencia entre ambas unidades viene dada por la expresión:

1 kcal/mh°k=4186J/m*3600s*°k=1,16 J/ms°k=1,16W/m*°k
En función de la magnitud de su coeficiente de conductividad, puede establecerse si una determinada sustancia es un buen aislante o un buen conductor de calor. Los mejores aislantes son las sustancias de cuya composición no entran a formar parte los metales, tales como el cuero la madera, el vidrio y los diferentes tipos de plásticos. Así mismo buenos aislantes los materiales de estructura porosa como el corcho, el serrín y el amianto por el contrario, los coeficientes de conductividad más elevados y, por consiguiente, los valores mas adecuados de conductividad, los presentan los metales.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y LA PRESIÓN EN k.

La conductividad térmica de los sólidos es mayor que la de los líquidos, la que a su vez es mayor que la de los gases. Las conductividades de los sólidos pueden, ya sea aumentar o disminuir con la temperatura. La conductividad para muchos líquidos decrece con aumento en la temperatura, aunque el agua es una excepción notable. Para todos los gases y vapores comunes, hay un aumento con aumento en la temperatura.
Parece ser que la influencia de la presión en la conductividad de los sólidos y líquidos es despreciable y los datos reportados sobre gases son muy inexactos; A partir de la teoría cinética de los gases, se puede concluir que la influencia de la presión deberá ser pequeña, excepto a vacíos muy bajos.

Introducción

La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor. Cuando se vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía en los dos procesos es idéntico. La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con una fuente o recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy diferente. Generalmente, la vaporización es un fenómeno mucho más rápido que la condensación.

La diferencia de temperaturas entre dos cuerpos implica la circulación de calor de la masa de mayor temperatura a la de temperatura inferior. En ocasiones es necesario incrementar la velocidad y la intensidad de propagación calorífica para conseguir rendimientos satisfactorios y en otros casos, por el contrario, conviene evitar la transmisión de calor de un cuerpo a otro.