Tema1 - Transmisión del calor PDF

Preview

Summary

Instalaciones Termomecánicas .Tema Temperatura - calor transmisión del calor - Conducción, convección, radiación - Cambios de estados, - Calor sensible, calor latente – Caloría – Calor especifico - Ciclo frigorífico por compresión mecánica.Calor El calor se define como la transferencia de energía té...

Description

Instalaciones Termomecánicas .

Tema1 Temperatura - calor transmisión del calor - Conducción, convección, radiación Cambios de estados, - Calor sensible, calor latente – Caloría – Calor especifico - Ciclo frigorífico por compresión mecánica.

Calor El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. Temperatura La temperatura es una magnitud física que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente. Dicha magnitud está vinculada a la noción de frío (menor temperatura) y caliente (mayor temperatura). La temperatura está relacionada con la energía interior de los sistemas termodinámicos, de acuerdo al movimiento de sus partículas, y cuantifica la actividad de las moléculas de la materia: a mayor energía sensible, más temperatura. Escalas de Temperatura El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente. La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius, llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su

punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos campos de la ingeniería. 

Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre éstos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó grados centígrados °C. Sin embargo, en 1948 fueron renombrados grados Celsius en su honor; así mismo se comenzó a utilizar la letra C mayúscula para denominarlos.



Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad típicamente usada en los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius.

Equivalencias

T(°F) = T(°C) × 9/5 + 32 o T(°F) = T(°C) × 1.8 + 32

Transmisión del calor

La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. 

Conducción térmica: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos ó más cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. Ej: cuchara metálica en la taza de té.



Convección térmica: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores dentro de la casa.



Radiación térmica: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energía solar. Caloría Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para

elevar la temperatura de un gramo de agua pura en 1 °C (desde 14,5 °C a 15,5 °C), a una presión normal de una atmósfera. Normalmente utilizamos la Kilocaloría que es energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de un Kilogramo de agua pura en 1 °C

Calor Específico Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una sustancia para elevar su temperatura en 1ºC

En la siguiente tabla, se ven las equivalencias de las unidades de energía mas importantes

Cambios de Estado En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como cambios de estado. Los posibles cambios son:        

de estado sólido a líquido, llamado fusión, de estado líquido a sólido, llamado solidificación, de estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización, de estado gaseoso a líquido, llamado condensación, de estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva, de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva o deposición, de estado gaseoso a plasma, llamado ionización. de estado plasma a gaseoso, llamado Desionización

Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura. Calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura.

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias.

Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal. Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal. Si hacemos la experiencia de tomar 1 Kg de hielo a una temperatura de -20 ºC a presión atmosférica normal, y comenzamos a calentarlo de manera homogénea, controlando la cantidad de calor aportado podemos observar: 1. El calor aportado para llevar el hielo desde -20ºC a 0ºC es de 10 kcal, o sea que el Calor especifico del Hielo es de 0,5 Kcal/Kg. Este calor aportado es Calor Sensible dado que solo produce un cambio de temperatura. 2. A continuación el hielo comienza a derretirse, y la temperatura se mantendrá a 0ºC hasta que toda la masa del mismo se haya licuado, el calor aportado para este proceso es de 80 Kcal. Este calor es Latente y se denomina “Calor Latente de Fusion” 3. Una vez que toda la masa es líquido, si seguimos aportando calor, vemos que la temperatura se eleva en 1ºC por cada Kcal aportada, dado que como vimos en las definiciones, el Calor Especifico del Agua es de 1 Kcal/kg. Este proceso de elevación de temperatura continuara hasta que se alcancen los 100ºC donde el líquido entra en ebullición. 4. En este momento si bien seguimos aportando calor, vemos que la temperatura se mantiene en una meseta de 100ºC hasta que toda la masa se ha evaporado, consumiéndose en este proceso un total de 539 Kcal, que constituyen el “Calor Latente de Vaporización” del agua (539 Kcak/kg) 5. Si pudiésemos confinar el vapor y seguirle aportando calor, veríamos que la temperatura nuevamente comienza a elevarse….

En resumen hemos aportado: 10 Kcal. para calentar el hielo. 80 Kcal. para derretirlo. 100 Kcal. para hervir el agua. 539 Kcal. para evaporar toda la masa. En total 729 Kcal., de las cuales vemos que el consumo más importante se da en la vaporización, o sea. En una misma masa de fluido, “La mayor cantidad de calor absorbida por el mismo es en el proceso de vaporización” Esto nos da la idea de que si podemos aprovechar ese proceso (vaporización) para absorber calor del medio, podemos tener un sistema de refrigeración muy eficiente. Dado que agua hierve a 100ºC a presión atmosférica normal, deberíamos utilizar presiones muy bajas para que le temperatura de vaporización sea utilizable para refrigeración. Esto lleva al desarrollo de los fluidos llamados “REFRIGERANTES” que tienen propiedades que los hace aptos para estos procesos.

Ciclo de refrigeración. La refrigeración se define como el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno. La refrigeración es una parte de la climatización, ya que al climatizar, además de controlar la temperatura del aire en el proceso de tratamiento, también se controla la humedad, limpieza y distribución para responder a las exigencias del espacio climatizado. Para poder reducir la temperatura, es necesario extraer el calor contenido en el espacio o materia que deseamos refrigerar, y para extraer el calor de un cuerpo es necesario la presencia de otro cuerpo más frío (temperatura inferior) que absorba el calor que deseamos eliminar. El calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío. El cuerpo que se utiliza para absorber el calor que deseamos eliminar se llama refrigerante.

Un refrigerante es un calorífero que desplaza el calor de un espacio que se debe refrigerar, hacia el exterior. Es el fluido operante en el ciclo de refrigeración. Cada vez que el refrigerante completa un ciclo, sufre dos cambios de estado, se evapora y se condensa, estos dos cambios de estado son necesarios para poder desplazar el calor del espacio que deseamos refrigerar hacia el exterior. Sistemas de refrigeración En los ciclos que utilizan un fluido refrigerante se emplea la propiedad de hacerlos absorber calor en estado líquido para evaporarse a bajas te mperaturas y presiones. Luego para restituirlos nuevamente a las condiciones iniciales se los hace condensar a mayor presión y temperatura, para ceder el calor al medio circundante normalmente aire o agua y los métodos o sistemas normalmente empleados son:

Ciclo de Compresión mecánica Ciclo de absorción En el sistema de compresión la presión es incrementada desde el evaporador al condensador mediante el empleo de un compresor, que produce la succión del evaporador

y

la compresión al condensador y por ello, a estos sistemas se los

denomina de refrigeración mecánica que son los mas utilizados. En el sistema de absorción, la succión del evaporador se ori gina por un fluido absorbente y el aumento de presión se produce por el calor que suministra una fuente de calor. Ciclo de Refrigeración Mecánica En la figura siguiente se muestra un sistema básico de refrigeración, el que está compuesto de los siguientes elementos:

Compresor Condensador Dispositivo de expansión Evaporador

Estos elementos, están incorporados en un circuito cerrado vinculados por medio de tuberías de interconexión, que permiten hacer

circular

el

fluido

refrigerante durante el ciclo, de forma continua, empleando ventiladores en el evaporador y condensador, para favorecer la transferencia del calor mediante la circulación forzada del aire. El

funcionamiento

se

basa

en

un

fluido

refrigerante,

al

cual

mediante una serie de dispositivos se le hace absorber calor en un lugar de baja temperatura como es el aire del local, transportarlo y cederlo a otro lugar de mayor temperatura, como puede ser el aire exterior y como el calor debe fluir de una fuente de baja a una de alta temperatura en contra de la tendencia natural, para lograr ese objetivo es necesario

aportar energía o trabajo mecánico

mediante un compresor. El ciclo de refrigeración se basa en aprovechar las propiedades de cambios de estados físicos de las substancias, como ser la vaporización o la condensación....