11 transmisión del calor

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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3

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.

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4

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)  hAT 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 (Wm-2K-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

TTo 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

45

SUDORACIÓN EXCESIVA

40

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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