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Tema: Medida del Coeficiente de Conductividad Térmica Hoja Ejecutiva Medida del Coeficiente de Conductividad Térmica Objetivos de la Práctica Objetivo General Estudiar la conducción térmica de varios materiales. Objetivos Específicos  Determinar el Valor del coeficiente de Conductividad Térmica del...

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Universidad Mayor de San Andrés - Facultad de Ingeniería – Carrera de Ingeniería Electrónica Laboratorio de Física Básica II Tema: Medida del Coeficiente de Conductividad Térmica

Hoja Ejecutiva Medida del Coeficiente de Conductividad Térmica Objetivos de la Práctica Objetivo General Estudiar la conducción térmica de varios materiales. Objetivos Específicos  Determinar el Valor del coeficiente de Conductividad Térmica del Cartón Prensado, plástico, madera, estuco. Justificación La conducción de temperatura es una característica importantísima de los materiales. Este fenómeno se encuentra presente en todos los casos en que se trabaje con cambios de temperatura. Por lo tanto es sumamente importante para un ingeniero el tener conocimiento de este fenómeno, no sólo en teoría, sino también en la práctica mediante experiencias de laboratorio. Hipótesis Cuando un cuerpo se encuentra entre dos ambientes que están a diferente temperatura, la temperatura mayor fluirá hacia la menor. Pero como esto se dará a través del cuerpo que estamos estudiando, veremos que de acuerdo al material, esta conducción de calor y temperatura será distinta. Límites y Alcances Este experimento se encuentra limitado por la ley cero de la termodinámica. Más específicamente en el estudio de la conductividad y transferencia del calor. Marco Teórico Transferencia de Calor La transferencia de calor, en física, es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Conducción En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). Convección Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.

Autor: Univ. Edgar Martin Guzmán Alarcón Docente: Ing. René Vásquez Tambo

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La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Radiación La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. Coeficiente de Conductividad Térmica Un gradiente de temperatura es la diferencia de temperatura por unidad de longitud. El valor numérico de k (coeficiente de conductividad térmica) depende del material. Los materiales con k grande son buenos conductores del calor; aquellos con k pequeña son malos conductores o aislantes. La conductividad térmica del aire “muerto” (inmóvil) es muy baja. Un suéter de lana, por ejemplo, nos mantiene calientes porque atrapa aire entre las fibras. De hecho muchos materiales aislantes, como la espuma de poli estireno y la fibra de vidrio, son en su mayor parte aire muerto. Otro ejemplo de la conductividad térmica son las placas protectoras de los transbordadores espaciales, estas tiene propiedades térmicas extraordinarias. Procedimiento Experimental Para medir el coeficiente de conductividad térmica se usó un generador de vapor, un cilindro de hielo, un recipiente de agua, una balanza y un vernier. Se midió con esto el flujo másico Ro, la altura del bloque de hielo, el área de contacto del hielo con el material del que se quería medir su conductividad térmica, la diferencia de temperatura. Con estas variables se logró medir el coeficiente “k”. Análisis y Tratamiento de Datos Tomar la medida de los valores d1 y d2, para determinar dAVG que es el diámetro medio del hielo. El valor de “dAVG“ se determinará con la fórmula:

d AVG 

d1  d 2 2

Y de esta forma obtenemos: Material d1 d2 dAVG Cartón Prensado 7.10 7.00 7.050 Madera 7.35 7.20 7.275 Vidrio 7.50 7.40 7.450 Estuco 7.20 7.15 7.175 Usar dAVG para determinar A (área del hielo con el material de ejemplo). Con la fórmula: 2 d  A  · AVG   2  Obtenemos: Material dAVG A Cartón Prensado 7.050 39.036 Madera 7.275 41.568 Vidrio 7.450 43.591

Autor: Univ. Edgar Martin Guzmán Alarcón Docente: Ing. René Vásquez Tambo

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Estuco 7.175 40.433 Dividir mwa entre ta y dividir entre mw entre t para determinar los flujos másicos Ra y R. m Con las fórmulas: R  wa a

Obtenemos: Material Cartón Prensado

ta

m mwaw R 8.8t

ta (s) Ra mw t (s) 120 0.0488 11.7 120 Plástico 13.4 120 0.0679 16.3 120 Madera 7.4 120 0.04 9.6 120 Estuco 7.9 120 0.0392 9.4 120 Restar Ra de R para determinar Ro, que es el rango sobre el hielo derretido. Con la fórmula: Ro R  R a Obtenemos: Material Ra R Ro Cartón Prensado 0.0488 0.0210 0.0278 Plástico 0.0679 0.0319 0.0360 Madera 0.0400 0.0176 0.0224 Estuco 0.0392 0.0188 0.0204 Calcular “K” que es la conductividad térmica del material. Con la fórmula: Y usando los siguientes valores obtenemos: Material Ro Cartón Prensado 0.0278 Plástico 0.0360 Madera 0.0224 Estuco 0.0204

ΔT 23 26 26 30

h 0.63 0.54 0.58 0.98

k

A 42.34 41.76 40.51 38.95

R 0.021 0.0319 0.0176 0.0188

 fus ·Ro ·h A· T λ fus 80 80 80 80

k 0.00145 0.00143 0.00099 0.00137

Conclusiones Finalmente, podemos concluir que cada material tiene un coeficiente de transmisión de calor distinto. Y esto hace que algunos sean buenos conductores y otros sean malos conductores del calor. Los malos conductores de calor tienen un uso muy amplio cuando se trata de aislar temperaturas, por ejemplo en refrigeración, en la calefacción de una casa, etc. Los coeficientes de transmisión de calor obtenidos son: Material k Cartón Prensado 0.00145 Plástico 0.00143 Madera 0.00099 Estuco 0.00137 Estos valores nos demuestran que los materiales usados en este experimento no son buenos conductores del calor. A diferencia de los metales, el aluminio por ejemplo, que tiene un coeficiente de 205.0, que son buenos conductores de calor, estos cinco materiales prueban ser malos conductores de calor. Autor: Univ. Edgar Martin Guzmán Alarcón Docente: Ing. René Vásquez Tambo

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Índice Hoja Ejecutiva............................................................................................................1 Índice..........................................................................................................................4 Medida del Coeficiente de Conductividad Térmica...................................................5 1.

Objetivos de la Práctica......................................................................................5

1.1.

Objetivo General.............................................................................................5

1.2.

Objetivos Específicos......................................................................................5

2.

Justificación........................................................................................................5

3.

Hipótesis.............................................................................................................5

4.

Variables.............................................................................................................6

5.

Límites y Alcances..............................................................................................6

6.

Marco Teórico.....................................................................................................6

6.1.

Transferencia de Calor...................................................................................6

6.2.

Conducción.....................................................................................................6

6.3.

Convección.....................................................................................................7

6.4.

Radiación........................................................................................................8

7. 7.1.

Marco Conceptual.............................................................................................11 Coeficiente de Conductividad Térmica.........................................................11

8.

Procedimiento Experimental.............................................................................11

9.

Análisis y Tratamiento de Datos.......................................................................12

10.

Cuestionario..................................................................................................15

11.

Conclusiones.................................................................................................17

Bibliografía...............................................................................................................18

Autor: Univ. Edgar Martin Guzmán Alarcón Docente: Ing. René Vásquez Tambo

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Medida del Coeficiente de Conductividad Térmica 1. Objetivos de la Práctica 1.1. Objetivo General Estudiar la conducción térmica de varios materiales.

1.2. Objetivos Específicos 

Determinar el Valor del coeficiente de Conductividad Térmica del

Cartón Prensado. 

Determinar el Valor del coeficiente de Conductividad Térmica del

Plástico. 

Determinar el Valor del coeficiente de Conductividad Térmica de la

madera. 

Determinar el Valor del coeficiente de Conductividad Térmica del

Vidrio. 

Determinar el Valor del coeficiente de Conductividad Térmica del

Estuco.

2. Justificación La conducción de temperatura es una característica importantísima de los materiales. Este fenómeno se encuentra presente en todos los casos en que se trabaje con cambios de temperatura. Por lo tanto es sumamente importante para un ingeniero el tener conocimiento de este fenómeno, no sólo en teoría, sino también en la práctica mediante experiencias de laboratorio.

3. Hipótesis Cuando un cuerpo se encuentra entre dos ambientes que están a diferente temperatura, la temperatura mayor fluirá hacia la menor. Pero como esto se dará a través del cuerpo que estamos estudiando, veremos que de acuerdo al material, esta conducción de calor y temperatura será distinta.

Autor: Univ. Edgar Martin Guzmán Alarcón Docente: Ing. René Vásquez Tambo

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4. Variables Las variables que se midieron para este experimento fueron: Ro h A ΔT

Flujo másico Altura del bloque de hielo Área de contacto entre el bloque de hielo y el material Diferencia de temperatura

Y con estas variables se determinó el coeficiente de conductividad térmica.

5. Límites y Alcances Este experimento se encuentra limitado por la ley cero de la termodinámica. Más específicamente en el estudio de la conductividad y transferencia del calor.

6. Marco Teórico 6.1. Transferencia de Calor La transferencia de calor, en física, es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

6.2. Conducción En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una Autor: Univ. Edgar Martin Guzmán Alarcón Docente: Ing. René Vásquez Tambo

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expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

6.3. Convección Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido Autor: Univ. Edgar Martin Guzmán Alarcón Docente: Ing. René Vásquez Tambo

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más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación. El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferenci...