LAB-1 IIME3

transferencia de calor

1. OBJETIVOS.

OBJETIVO GENERAL:

Reconocer la importancia de la transferencia de calor en los diferentes y cuerpos y medios que se pueda presentar.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

* Diferenciar los tres mecanismos en los que se puede transferir el calor.
* Analizar por qué se transfiere el calor de un cuerpo a otro en diferentes temperaturas.
*Conocer la importancia del paso de energía térmica en la vida real.

2. JUSTIFICACIÓN

Durante el aprendizaje de los procesos de transferencia de calor se consideran de forma gradual análisis y condiciones más complejas. Es así como se inicia con el caso simple de conducción de calor en esto estable sin generación interna y se van ampliando conceptos. Muchos problemas en la ingeniería involucran situaciones en las que hay condiciones que varían con el tiempo, y se sabe también que en los procesos de transferencia de calor ciertas variables de procesos dependen de la variación de la temperatura de un cuerpo en función del tiempo y la posición. Para efectos de estudio, primero se considera que la temperatura del cuerpo solo varía con el tiempo y no con la posición. Esta práctica de laboratorio tiene como objetivo principal estudiar la dependencia temporal de la distribución de temperaturas dentro de un sólido.

3. MARCO TEORICO

En el análisis de transferencia de calor, se observa que algunos cuerpos se comportan como sistemas concentrados, en los cuales la temperatura interior permanece uniforme en todo momento durante un proceso de transferencia de calor. La temperatura de esos cuerpos se puede tomar solo como una función del tiempo, T (t). Un cuerpo de masa m, volumen V, área superficial As, densidad y calor específico Cp que se encuentra inicialmente a una temperatura inicial experimenta un proceso de transferencia de calor entre el cuerpo y el medio ambiente que se encuentra a la temperatura ∞ , con un coeficiente de transferencia de calor h.

4.  PROCEDIMIENTO

La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

4.1 Ley de enfriamiento de Newton:

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) 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 del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos microscópicos 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, forzada o asistida).

En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

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

4.2 Resistencia de un material

Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo de calor limitando la conducción, convección o ambos. Las barreras de radiación, son materiales que reflejan la radiación, reduciendo así el flujo de calor de fuentes de radiación térmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.

La efectividad de un aislante está indicado por su resistencia (R). La resistencia de un material es el inverso del coeficiente de conductividad térmica (k) multiplicado por el grosor (d) del aislante. Las unidades para la resistencia son en el Sistema Internacional: (K•m²/W).

4.3 Ley de Fourier

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De forma vectorial:

Desarrollo c++

// ESTRUCTURA EN BLANCO

#include<iostream>

#include<math.h>

using namespace std;

int  k, l, s, Ngr, Npr, m,Tw, Tb, a,  dT, dt,d,gT;

float h,Qcv,Q,Resist,q;

float coeficientedetransferenciadecalor (int k,int l,int s,int Ngr,int Npr,int m)

float transferenciadecalorporconveccion(float h,int a,int Tw,int Tb)

float calorentregado (int k,int l, int a, int dt, int dT)

float Resistenciadeunmaterial  (int d , int k)

float vectordeflujodecalor  (int dT , int k)

int main ()

 {

    //1)DECLARACION

  int opcion;

  do

  { // INICIO DEL DO - WHILE

  cout<<"*********MENU ******************************\n\n"; 

  cout<<"1)coeficiente de tranferencia de calor \n";

  cout<<"2) ley del enfriamiento de newton\n";

  cout<<"3)calor entregado  \n";

  cout<<"4) resistencia de un material \n";

  cout<<"5) ley de fourier  \n";

  cout<<"          DIGITE <0> PARA SALIR \n\n";

  cout<<"********************************************\n\n";

  cout<<"   ELIJA UNA OPCION : "; cin>>opcion;

    //2)ASIGNACION

    switch (opcion)

    {

    case 1: 

      {

        cout<<"****** coeficiente de tranferencia de calor***** \n\n";

    cout<<"ingrese la conductividad termica=  ";cin>>k;

    cout<<"ingrese la longitud del cuerpo=  ";cin>>l;

    cout<<"ingrese la constante 1 =  ";cin>>s;

    cout<<"ingrese el numero de grashof=  ";cin>>Ngr;

    cout<<"ingrese el numero de prandtl=  ";cin>>Npr;

    cout<<"ingrese la constante 2 =  ";cin>>m;

    coeficientedetransferenciadecalor (k,l,s,Ngr,Npr,m)  

    cout<<" el coeficiente de tranferencia de calor es="<<h<<endl;

    cout<<" \n";

    cout<<" ****************************** \n";

     } //FIN DEL CASO 1

     break;      

     

  case 2: 

    {   

       cout<<"****** ley del enfriamiento de newton ***** \n\n";

    cout<<"ingrese el coeficiente de tranferencia de calor=  ";cin>>h;

    cout<<"ingrese el area del cuerpo=  ";cin>>a;

    cout<<"ingrese la temperatura de la superficie del cuerpo=  ";cin>>Tw;

    cout<<"ingrese la temperatura del aire exterior=  ";cin>>Tb;

    transferenciadecalorporconveccion(h,a,Tw,Tb);

    cout<<" la tranferencia de calor por conveccion es="<<Qcv<<endl;

    cout<<" \n";

    cout<<" ****************************** \n";

    } //FIN DEL CASO 2

    break;

    case 3: 

      {

         cout<<"****** calor entregado ***** \n\n";

    cout<<"ingrese la conductividad termica =  ";cin>>k;

    cout<<"ingrese la area del cuerpo =  ";cin>>a;

    cout<<"ingrese la longitud del cuerpo=  ";cin>>l;

    cout<<"ingrese el incremento de la temperatura=  ";cin>>dT;

    cout<<"ingrese el intervalo del tiempo=  ";cin>>dt;

    calorentregado (k,a,l,dt,dT);   

    cout<<" el calor entregado es = "<<Q<<endl;

    cout<<" \n";

    cout<<" ********************* \n";

    cout<<" \n";

      } //FIN DEL CASO 3

      break;

      

    case 4: 

     {

       cout<<"****** resistencia de un material***** \n\n";

    cout<<"ingrese el grosor del cuerpo=  ";cin>>d;

    cout<<"ingrese la conductividad termica=  ";cin>>k;

    Resistenciadeunmaterial  (d , k);

    cout<<" LA RESISTENCIA ES = "<<Resist<<endl;

    cout<<" \n";

    cout<<" ********************* \n";

     } //FIN DEL CASO 4

     break;

     

    case 5: 

     {

      cout<<"****** ley de fourier***** \n\n";

    cout<<"ingrese la conductividad termica =  ";cin>>k;

    cout<<"ingrese el gradiente de temperatura del material =  ";cin>>gT;

    vector delflujodecalor(k,gT);

    cout<<" el vector del flujo de calor es :";cin>>q;

    cout<<"*******************\n";

    cout<<endl;

     }      //FIN DEL CASO 5

     

         

}// FIN DE SWITCH

    

} // FIN DEL DO - WHILE

while (opcion !=0);

    cout<<endl;cout<<"\n";

    system("pause");

    return 0;

}//FIN DEL PROGRAMA

//desarollo

float coeficientedetransferenciadecalor (int k,int l,int s,int Ngr,int Npr,int m) 

{

     h = (k / l) * s * pow ((Ngr - Npr),m) ; 

    return h;

}

float transferenciadecalorporconveccion(float h,int a,int Tw,int Tb)

{

    Qcv = (h * a)*(Tw - Tb);

    return Qcv;

}

float calorentregado (int k,int l, int a, int dt, int dT)

{

      Q = (k / l) * a * dT * dt;

      return Q;

}   

float Resistenciadeunmaterial  (int d , int k)

{

      Resist = (d / k);

      return Resist;

} 

float vectordeflujodecalor  (int gT , int k)

{

      q = gT * -k;

      return q;

} 

hacer click