TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA
Conducción Convección Radiación Cuerpo negro Regulación de la temperatura corporal
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Maestro ¿Cómo pasa el calor de un cuerpo a otro?
CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
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El calor es un flujo de energía de un cuerpo a otro. Observa Pedro las siguientes imágenes para que identifiques las formas de transferencia del calor.
Convección Radiación
Conducción
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Mecanismos de Transferencia de Energía Térmica
Sin soporte material
Con soporte material
Sin movimiento de materia Conducción
Con movimiento de materia
Convección
Radiación
Convección natural
Convección forzada (ventilador) 4
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TIPOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGIA TERMICA
Conducción: Se da fundamentalmente en sólidos. Al calentar un extremo, las moléculas adquieren más energía y vibran sin desplazarse, pero comunicando esta energía a las moléculas vecinas. Convección: Se da (líquidos y gases).
fundamentalmente
en
fluidos
Las moléculas calientes adquieren un mayor volumen y por tanto la densidad disminuye, por lo tanto estas ascienden dejando huecos que ocupan otras moléculas de mayor densidad. Radiación: Se produce a través de ondas electromagnéticas que llegan sin necesidad de soporte material. De esta manera nos calienta un radiador o nos llega el calor del sol.
CONDUCCIÓN (Placa plana)
K Conductividad térmica
T1
T2
A
Área
T1
T2
Espesor
Potencia = Calor transferido en el tiempo t [P] = [Q/t] =W = watt
P
Q t
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Conducción Conductividades térmicas de algunos materiales a temperatura ambiente Material Vapor de agua Aire Agua líquida Mercurio Espuma de poliestireno Papel Vidrio Hielo Plomo Acero Aluminio Cobre
Músculo/grasa Vello
-1 -1 K k (Wꞏm ꞏK ) 0.025 0.026 0.61 8.4 0.036 0.13 0.35-1.3 2.2 34 45 204 380
Malos conductores
Buenos conductores
0.2 0.02
La conductividad térmica cambia con el estado de agregación
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CONVECCIÓN La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad. Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye. Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie. El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso. 8
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Convección
•La energía térmica se transfiere a un ritmo que depende de las propiedades del fluido y si se mueve por convección natural (diferencia de densidades) ó por convección forzada con flujo laminar o turbulento.
Flujo laminar
Convección natural
Flujo turbulento
Convección forzada 9
P
Convección
Q t
Potencia =Calor transferido por unidad de tiempo t
[h] = w/m2 K
Superficie de intercambio
Coeficiente de convección
Q/ t hA(T T) hAT Temperatura superficial
Temperatura del fluido libre
T fluido libre T superficial
T A 10
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Valores típicos del coeficiente de convección
Convección libre en aire Convección libre en agua Convección forzada en aire Convección forzada en agua Agua hirviendo Vapor condensando
h (Wm-2K-1) 5-25 500-1000 10-500 100-15000 2500-25000 5000-100000
El Coeficiente de convección h depende de varios factores y sólo puede determinarse experimentalmente o por analogía con situaciones similares h piel/aire libre = 7 Wm-2 K-1 11
Radiación ...Además, el calor puede viajar por ondas electromagnéticas y por el vacío.
Ondas??
Las ondas electromagnéticas son emitidas por un sólido, líquido o gas caliente como consecuencia de movimientos caóticos de sus átomos y moléculas
OH!
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Radiación
E
X
B
Y Z
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Radiación Existe una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura
Radiación ultravioleta SOL
Radiación infrarroja FOCO 14
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Radiación Todos los cuerpos emite radiación electromagnética cuya intensidad y características dependen de su temperatura
P = Q/t = εAσT4
Ley de Stefan-Boltzmann
Donde:
σ =5,67 10-8 W/m2 K4
es constante de Stefan-Boltzmann T = temperatura en la superficie del cuerpo
ε = emisividad A = área
Cuando el cuerpo se encuentra en un entorno con temperatura To, pueden emitir como absorber energía dependiendo de la temperatura del cuerpo T
TTo T T0 T = T0
Pneta = εAσ (T4 - To4 )
emite absorbe Pneta =0
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Radiación En general, para un cuerpo que está en el equilibrio térmico con el medio de alrededor
Pemitida
Pe: es la radiación emitida, energía por unidad de área en unidad de tiempo
Pabs : es radiación incidente (absorbe) por unidad de área en unidad de tiempo P absorbida
α es poder absorbente ( 0 α 1) α piel = 0,7 (visible) α piel = 1 (infrarrojo)
Pe = α Pabs Todos los cuerpos emiten y absorben la radiación !
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Radiación Para un CUERPO NEGRO: poder absorbente α=1 Toda la radiación que le llega la absorbe y de igual manera la emite Pabs= PeB
(PeB = radiación de un cuerpo negro)
α=0 para las superficies brillantes que reflejan toda la radiación que INCIDE
No existe en la naturaleza un cuerpo negro incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente
Según la ley de Kirchhoff para cualquier cuerpo
P= α⋅PB 17
Radiación infrarroja Termografías A mayor temperatura se observa color blanco
Se utiliza como método de diagnóstico en medicina para investigar inflamación o presencia de tumores (mayor flujo sanguineo)
En ingeniería para determinar calentamiento en los tornillos de las estructuras debido a la sobrecarga 18
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transmitancia
Espectro infrarrojo de un compuesto orgánico
[λ]
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Termo – Frasco de Dewar
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EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN EL CUERPO HUMANO Temperatura ºC
Efectos QUEMADURAS EN LA PIEL, MUERTE
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PIEL SECA, PULSO INTENSO, INCONSCIENSIA
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SUDORACIÓN EXCESIVA
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TEMPERATURA NORMAL
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AUMENTA EL METABOLISMO PARA MANTENER LOS 37ºC
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EL CUERPO TIRITA FUERTE
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CONSCIENCIA DISMINUÍDA, PUPILAS DILATADAS
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RIGIDEZ MUSCULAR, DISMINUYE EL PULSO, LA PRESIÓN ARTERIAL Y LA FRECUENCIA RESPIRATORIA
30 A 28
PUPILAS NO REACCIONAN A LA LUZ, AUSENCIA DE REFLEJOS
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RIESGO CARDÍACO, PROBLEMAS PULMONARES
26 A 21
PARO CARDÍACO
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TRASTORNOS NEUROLÓGICOS
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Regulación de la Temperatura en el cuerpo humano Se realiza principalmente en el desde una zona del cerebro (hipotálamo), donde neuronas termoreceptoras detectan la variación de la temperatura corporal y desde allí se activan los mecanismos adecuados.
El intercambio con el ambiente
(bidireccional):
por conducción, convección y radiación.
Evaporación de agua en los pulmones. La transpiración por la piel 22
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Regulación de la Temperatura en el cuerpo humano Isotermas del cuerpo humano
Variando el flujo sanguineo se controla la temperatura corporal vasodilatación vasoconstricción
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Física Universitaria Sears, Zemansky, Young. Editorial Addison Wesley, VI Edición. Física Kane, Sternhem. Editorial Reverté. Física Serway- Faughn Editorial Pretice Hall, V Edición. Física de los procesos biológicos Cussó- Lopez- Villar Editorial Ariel Ciencia, I Edición.
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