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Clase Práctica: “Mecanismos de Transferencia de calor, Informe de la Primera práctica”
Material de clase: https://issuu.com/rosmeryfidel/docs/primera_practica Primera Práctica: “Mecanismos de Transferencia de Calor “
Tarea encomendada
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“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE
MAYOLO”
FACULTAD DE INGENIERÍA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
INGENIERÍA DE ALIMENTOS I
PRIMERA PRÁCTICA DE LABORATORIO
“MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR”
ALUMNA:
Fidel Bravo Rosmery Mayli - 191.0206.034
DOCENTE:
Dr. Quispe Talla Ángel Noé
Huaraz, 4 de agosto de 2022
40
ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS
RESUMEN.........................................................................¡Error! Marcador no definido. I. INTRODUCCIÓN......................................................¡Error! Marcador no definido. 1.1 OBJETIVOS: ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.1.1 OBJETIVO GENERAL..................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS............................. ¡Error! Marcador no definido.
II. MARCO TEÓRICO...................................................¡Error! Marcador no definido. 2.1 CALOR Y TEMPERATURA....................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.1.1 TEMPERATURA ................................................. ¡Error! Marcador no definido. 2.1.2 CALOR................................................................. ¡Error! Marcador no definido. 2.2 TRANSFERENCIA DE CALOR................................ ¡Error! Marcador no definido. 2.2.1 CONDUCCIÓN.................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.2.2 CONVECCIÓN .................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.2.3 RADIACIÓN ...................................................................................................162
III. METODOLOGÍA...................................................................................................49
3.1 MATERIALES Y EQUIPOS......................................................................................49 3.2 PROCEDIMIENTO....................................................................................................50
IV. RESULTADOS.......................................................................................................52
V. CONCLUSIONES..................................................................................................54
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................57
VII.ANEXOS .................................................................................................................58
RESUMEN
El presente informe es un trabajo teórico-práctico que se desarrolló a nivel de laboratorio
en la cual se desarrollara la aplicación de tres mecanismos que rigen la transferencia de
calor: conducción, convección y radiación. La metodología en el presente informe se basa
en el diseño experimental, el cual consiste en desarrollar la teoría aplicada a la práctica;
para de ese modo cumplir con el objetivo planteado al inicio del presente, “Aplicar y
analizar los Mecanismos de Transferencia de calor: conducción, convección y radiación,
para definir la transferencia de calor como la propagación de energía de una región a otra
bajo la influencia de una diferencia de temperaturas”, así como tambien analizar cada
mecanismo de transferencia de calor a través de gráficos y tablas. En conclusión, La
transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de energía
que puede ocurrir entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de
temperatura. La ciencia de la transferencia de calor no sólo trata de explicar cómo puede
ser transferida la energía calorífica, sino también trata de predecir la rapidez a la que se
realizará este intercambio bajo ciertas condiciones especificadas
Palabras clave: Energía; transferencia de calor; conducción; convección; radiación
I. INTRODUCCIÓN
El calor es energía que se transfiere entre sistemas debido a la diferencia de temperaturas. En conclusión, siempre que hay una diferencia de temperatura, se produce una transferencia de calor. Hay tantos procesos que implican transferencia de calor que es difícil imaginar una situación en la que no se produzca. Sin embargo, todas las transferencias de calor ocurren por tres métodos solamente:
Conducción, transferencia de calor entre partículas por contacto físico que se produce a través de un medio estacionario que puede ser un sólido; Convección, se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (liquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas; y la Radiación que se produce cuando se emiten o absorben microondas, radiación infrarroja, luz visible u otra forma de radiación electromagnética. Un ejemplo obvio es el calentamiento de la Tierra por el Sol. Un ejemplo menos evidente es la radiación térmica del cuerpo humano.
Estos mecanismos están presentes en muchas situaciones de la vida cotidiana y aplicaciones principalmente en la ingeniería. Para comprender su importancia y aplicaciones en la industria alimentaria a continuación en el presente laboratorio se realizará un análisis de cada mecanismo.
1.1 OBJETIVOS:
1.1.1 OBJETIVO GENERAL
Aplicar los Mecanismos de Transferencia de calor: conducción,
convección y radiación, para definir la transferencia de calor como la
propagación de energía de una región a otra bajo la influencia de una
diferencia de temperaturas.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Observar experimentalmente los diferentes mecanismos de transferencia
de calor por conducción, convección y radiación.
Analizar cada mecanismo de transferencia de calor a través de gráficos y
tablas
II. MARCO TEÓRICO
2.1 CALOR Y TEMPERATURA
Calor y temperatura son conceptos que en el lenguaje cotidiano se confunden, pero son
diferentes. Por ejemplo, la frase “uuuuf, que calor es una expresión común para referirnos
al concepto de temperatura, a pesar de que mencionamos la palabra calor.
2.1.1 TEMPERATURA
La temperatura es una medida de la energía
cinética promedio de los átomos y moléculas
individuales de una sustancia. Cuando se
agrega calor a una sustancia, sus átomos o
moléculas se mueven más rápido y su
temperatura se eleva, o viceversa.
(Domingo, 2011)
La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frio o
caliente al tocar alguna sustancia.
2.1.2 CALOR
El calor es una transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre
diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. El calor es una
energía de transito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de
menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona más fría y reduce
la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga
constante. (Loureiro, 2011)
El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas
de una sustancia.
2.2 TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que
puede tener lugar entre cuerpos materiales como resultado de una diferencia de
temperaturas. A diferencia de la Termodinámica, la transferencia de calor pretende no
sólo explicar cómo puede transferirse la energía térmica sino también predecir la rapidez
con la que tiene lugar la transferencia. (Criado & Gomez, 2011)
Por otro lado (Jimenez, 2020)menciona que, cuando existe una diferencia de temperatura
entre dos objetos o regiones lo suficientemente próximas, la transferencia de calor no
puede ser detenida, solo puede hacerse más lenta.
Según (Cross, 2017) En general, se reconocen tres modos distintos de transferencia de
calor: conducción, convección y radiación, aunque, en rigor, solo la conducción y
radiación debieran considerarse formas de transmisión de calor, porque solo ellas
dependen exclusivamente de un desequilibrio térmico para producirse. Para que se
produzca convección, tiene que haber un transporte mecánico de masa además de una
diferencia de temperatura, sin embargo, teniendo en cuenta que la convección también
transfiere energía de zonas con mayor temperatura a zonas con menor temperatura,
normalmente se admite el modo transferencia de calor por convección.
En síntesis, los mecanismos de
transferencia de calor son:
conducción, convección y
radiación. Estos mecanismos
se podrán producir
simultáneamente con diferente
importancia
2.2.1 CONDUCCIÓN
Se llama conducción a la transferencia de calor mediante el contacto directo de las
partículas de un material con las de otro, sin transferir materia entre los cuerpos. Ocurre
en todos los estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso, aunque en estos dos últimos
suele preferirse la convección. (Ponce, 2021)
¿Cómo se produce la transferencia de calor por conducción?
Las moléculas de un objeto que está a una temperatura más alta vibran con mayor rapidez,
estas chocan contra las moléculas menos energéticas situadas en la parte de menor
temperatura del objeto. Como resultado del choque las moléculas que se mueven a mayor
velocidad transfieren una parte de su energía a las que se mueven más despacio. Se trata
de una transferencia como resultado de una diferencia de temperaturas.
Ley de Fourier
La ley de Fourier sirve para cuantificar la conducción y dice que la tasa a la cual el flujo
es transferido por conducción, �� =
�� ∆�� , es proporcional al gradiente de temperaturas
����/���� y al área transversal A a la dirección de flujo
donde �� es la conductividad térmica del material y el signo menos es una consecuencia
de la segunda ley de la termodinámica, la cual requiere que el calor fluya de la región de
mayor temperatura a la de menor temperatura. Por otro lado, hay que tener presente que
el gradiente de temperatura ����/���� indica que la temperatura T es función de ��, por lo
tanto, un gradiente de temperatura negativo indica que la temperatura decrece al aumentar
los valores de ��. (Yunus & Afshin, 2004)
2.2.2 CONVECCIÓN
La convección es semejante a la conducción,
excepto que ocurre en los casos en que un
fluido recibe calor y se mueve para
transmitirlo dentro de un espacio donde está
contenido. La convección es el transporte de
calor por medio del movimiento de un
fluido, sea gaseoso o líquido. (Ponce, 2021)
¿Cómo se produce la transferencia de calor por convección?
La transmisión de calor por convección se compone de dos mecanismos simultáneos. El
primero, es la transferencia de calor por conducción, debido al movimiento molecular, a
la que se superpone la transferencia de energía por el movimiento de fracciones del fluido
que se mueven accionadas por una fuerza externa, que puede ser un gradiente de densidad
(convección natural), o una diferencia de presión producida mecánicamente (convección
forzada) o una combinación de ambas. La cantidad de calor transferido por convección,
se rige por la ley de enfriamiento de Newton. (Cabriales & Cobos, 2011)
La transferencia de calor por convección depende de la densidad, viscosidad y velocidad
del fluido, así como de sus propiedades térmicas (calor específico y conductividad
térmica).
Convección forzada y convección natural
Si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se llama convección
forzada; por otro lado, si el flujo se debe a diferencias de densidad causadas por expansión
térmica, como el ascenso de aire caliente, el proceso se llama convección natural.
(Jimenez, 2020)
2.2.3 RADIACIÓN
La radiación es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas como la luz visible,
el infrarrojo y la radiación ultravioleta. La radiación térmica es la energía emitida por la
materia que se encuentra a una temperatura finita. Aunque centraremos nuestra atención
en la radiación de superficies sólidas, ésta también puede provenir de líquidos y gases.
La energía del campo de radiación es transportada por ondas electromagnéticas que, como
sabemos, no precisa ningún medio material para propagarse (a diferencia de la
conducción y la convección). (Criado & Gomez, 2011)
La tasa de transferencia de calor por radiación también depende del color del objeto. El
negro es el más eficaz, y el blanco es el menos eficaz. Un objeto perfectamente negro
sería un radiador ideal y un absorbente ideal, ya que captaría toda la radiación que cae
sobre él. Por el contrario, un objeto perfectamente blanco o un espejo perfecto reflejaría
toda la radiación, y un objeto perfectamente transparente la transmitiría toda.
Análisis: Un objeto negro es buen absorbente y radiador, mientras que un objeto blanco,
claro o plateado es mal absorbente y radiador. (Moebs & Ling, 2021)
III. METODOLOGÍA
La metodología en el presente informe se basa en el diseño experimental, el cual consiste en desarrollar la teoría aplicada a la práctica; para de ese modo cumplir con el objetivo planteado al inicio del presente, “Aplicar y analizar los Mecanismos de Transferencia de calor: conducción, convección y radiación, para definir la transferencia de calor como la propagación de energía de una región a otra bajo la influencia de una diferencia de temperaturas” .
3.1 MATERIALES Y EQUIPOS:
Para el desarrollo de la presente práctica se utilizaron los siguientes materiales y equipos:
Materiales
3 Barras de metal de la misma medida
2 vasos de precipitado de la misma medida Rejilla de asbesto Pinzas de metal
1 plancha 1 cuchara
Equipos Cocina eléctrica
Cocina industrial
Deshidratador
Termómetro digital infrarrojo Termómetro de mercurio
Termómetro Higrómetro digital Termómetro análogo bimetálico
Materiales de protección Mascarilla
Guardapolvo Cubre cabello
3.2 PROCEDIMIENTO:
A. CONDUCCIÓN
Dividir cada barra de 30 cm en partes iguales (6, 12, 18, 24, 30 cm) Posteriormente medir la temperatura de calentamiento inicial de la estufa Someter las barras al contacto directo con el fuego Medir y registrar las temperaturas en cada fracción dividida (LA,LB,LC,LD,LE)
B. CONVECCIÓN
Sistema 1 (en la cocina eléctrica) Llenar con agua dos vasos de precipitado, cada una de 300 ml. Llevar ambos vasos a la cocina eléctrica hasta obtener una temperatura de ebullición (80º C) Retirar los vasos a la mesa de trabajo, teniendo las precauciones necesarias Para el PRIMER vaso: Medir la Tº de enfriamiento por convección natural. Para el SEGUNDO vaso: Medir la temperatura de enfriamiento por convección forzada (mover constantemente con una cuchara) Medir y registrar el tiempo y las temperaturas hasta conseguir en ambos casos una temperatura de 30º C
Sistema 2 (en el deshidratador) Encender el deshidratador, teniendo las precauciones necesarias Medir la temperatura inicial del deshidratador Posteriormente medir y registrar el tiempo y la temperatura del interior del deshidratador hasta obtener una temperatura constante.
C. RADIACIÓN
Sistema 1: por combustión Encender la cocina industrial por alrededor de 20 min Medir la temperatura del ambiente Con la ayuda del termómetro digital infrarrojo medir y registrar la temperatura en distintas distancias hasta obtener la temperatura ambiente.
Sistema 2: plancha Encender la plancha por alrededor de 30 min, y medir la Tº del ambiente Con la ayuda del termómetro digital infrarrojo medir y registrar la temperatura en distintas distancias hasta obtener la temperatura ambiente.
50 cm
1 m 2 m 3 m
IV. RESULTADOS
A. CONDUCCIÓN
Mecanismo de Transferencia de Calor: CONDUCCIÓN
Distancia (cm) ��(min) Barra 1 (acero)
Barra 2 (aluminio, triangular)
Barra 3 (aluminio, cilíndrico) 6 cm (����) 5 min 85º C 75º C 74º C 12 cm (����) 10 min 55º C 50º C 47º C 18 cm (����) 15 min 40º C 37º C 37º C 24 cm (����) 20 min 33º C 32º C 32º C 30 cm (����) 25 min 29º C 26º C 31º C
Interpretación: Cuando la barra está sometida en un extremo a una fuente caliente de temperatura constante y su otro extremo queda libre, la temperatura decrece exponencialmente con la distancia. Experimentalmente la barra 1 de acero es mejor conductor de calor a comparación de las barras de metal.
B. CONVECCIÓN
Sistema 1 (en la cocina eléctrica)
Mecanismo de Transferencia de Calor: CONVECCIÓN
��(������) Natural (Tº) Forzada (Tº) ��(min) Natural (Tº) Forzada (Tº) 1 min 79º C 76º C 27 min 38º C 34º C 3 min 73º C 70º C 29 min 36º C 33º C 5 min 69º C 65º C 31 min 36º C 32º C 7 min 67º C 61º C 33 min 34º C 31º C 9 min 63º C 57º C 35 min 33º C 30º C 11 min 60º C 52º C 37 min 33º C 13 min 58º C 50º C 39 min 32º C 15 min 56º C 47º C 41 min 32º C 17 min 53º C 45º C 43 min 31º C 19 min 50º C 42º C 45 min 31º C 21 min 45º C 40º C 47 min 30º C 23 min 43º C 37º C 49 min 30º C 25 min 41º C 36º C
MEDIA:
Convección natural: 46,8 ºC Convección forzada: 46,5 ºC
Grafico 1: Transferencia de calor por convección natural y forzada
Interpretación: En el siguiente grafico se puede observar que por convección natural el vaso de precipitado demoró 49 min en llegar a la temperatura de 30ºC, por otra parte, por convección forzada el tiempo requerido fue menor debido a que se le está agregando trabajo (movimiento constante). En síntesis, el coeficiente de transferencia de calor en la convección forzada es mayor que en la convección natural
Temperatura (ºC)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 Convección natural 79 73 69 67 63 60 58 56 53 50 45 43 41 38 36 36 34 33 33 32 32 31 31 30 30 Convección forzada 76 70 65 61 57 52 50 47 45 42 40 37 36 34 33 32 31 30
Tiempo (min)
Convección natural Convección forzada
53
Sistema 2 (en el deshidratador)
Mecanismo de Transferencia de Calor: CONVECCIÓN
��(������) Temperatura (ºC) 1 26º C 2 30º C 3 34º C 4 37º C
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21 41º C
44º C
46º C
49º C
50º C
51º C
52º C
54º C
55º C
56º C
57º C
58º C
59º C
59º C
60º C
60º C
60º C
El deshidratador es un equipo diseñado idealmente para implementar el método de desecación por convección de aire forzado, y caracterizada por su configuración en forma de túnel. En su interior, van dispuestas las bandejas que se encuentran fabricadas en lámina perforada de acero inoxidable, y sobre las cuales se dispondrán las frutas a ser deshidratadas.
Interpretación: En el grafico podemos observar que el tiempo que demora en mantener una temperatura constante (60ºC) es de 20 a 21 min
C. RADIACIÓN
Sistema 1: por combustión, Temperatura ambiente (24ºC)
Mecanismo de Transferencia de Calor: RADIACIÓN ������������������(��) Temperatura (ºC) 1/2 39.8º C 1 36º C 1.5 33.9º C 2 32.6º C 2.5 31.1º C 3 30.8º C 3.5 28.2º C 4 26º C 4.5 24º C 5 23.9º C
Sistema 2: plancha, Temperatura ambiente (24ºC)
Mecanismo de Transferencia de Calor: RADIACIÓN ������������������(����) Temperatura (ºC) 0 cm 67.3º C 10 cm 45º C 20 cm 35º C 50 cm 29º C 100 cm 24º C
V. CONCLUSIONES
Al terminar la práctica se puede definir que la transferencia de calor es aquella
ciencia que busca predecir la transferencia de energía que puede ocurrir entre
cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. Existen tres
mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección, y radiación.
Transferencia de calor por conducción: Cuando la barra está sometida en un
extremo a una fuente caliente de temperatura constante y su otro extremo queda
libre, la temperatura decrece exponencialmente con la distancia.
Experimentalmente la barra 1 de acero es mejor conductor de calor a comparación
de las barras de metal.
Transferencia de calor por convección: El coeficiente de transferencia de calor en
la convección forzada es mayor que en la convección natural. Experimentalmente
en el vaso 2 (convección forzada) el tiempo requerido para llegar a una
temperatura de 30º C fue menor debido a que se le está agregando trabajo
(movimiento constante) al sistema.
Transferencia de calor por radiación: La radiación es la transferencia de calor sin
que exista contacto entre los objetos. Esto ocurre a través de las ondas
electromagnéticas, que se propagan por el espacio. Experimentalmente se puede
observar que la plancha y la cocina industrial emiten calor al ambiente,
modificando su temperatura.
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Cabriales, R., & Cobos, D. (14 de Julio de 2011). Transferencia de Calor . Obtenido de Universidad Autonoma de Nuevo Leon : https://1library.co/document/yn978jlqpracticas-para-el-laboratorio-de-transferencia-de-calor-pdf.html
Criado, J., & Gomez, M. (14 de Octubre de 2011). Tema 7: Fundamentos de transferencia de calor. Obtenido de Universidad de Malaga : https://ocw.uma.es/pluginfile.php/775/mod_resource/content/0/Tema%208.%20 Apuntes_Transferencia_de_calor.pdf Cross, F. (2017). Transferencia de Calor. Editorial Continental.
Domingo, A. (2 de Mayo de 2011). Apuntes de Transmisión del calor. Obtenido de Universidad Politecnica de Madrid : https://oa.upm.es/6935/1/amd-apuntestransmision-calor.pdf
Jimenez, C. (2020). Transferencia de Calor . Obtenido de Instituto Tecnológico de Costa Rica: https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10176/Trasferencia%20de %20calor.pdf?sequence=1&isAllowed=y Loureiro, M. (7 de Octubre de 2011). http://www.marioloureiro.net/ciencia/termodinam/TCalor.pdf. Obtenido de Departamento de Ingenieria Quimica : http://www.marioloureiro.net/ciencia/termodinam/TCalor.pdf
Moebs, W., & Ling, S. (2021). Física universitaria volumen 2. Houston, Texas: OpenStax.
Ponce, J. (28 de Julio de 2021). Mecanismos de transmisión de calor. Obtenido de SlideShare: https://www.slideshare.net/JuanKarlosPonceRamirez/mecanismosde-transmisin-de-calor
Yunus, C., & Afshin, G. (2004). Transferencia de calor y masa, fundamentos y aplicaciones . España: FreeLibros, Cuarta edicion .
VII. ANEXOS
A. CONDUCCIÓN
B. CONVECCIÓN
Sistema 1 (en la cocina eléctrica)
Sistema 2 (en el deshidratador)
C. RADIACIÓN
Sistema 1: por combustión
Sistema 2: plancha
