Conducción de Calor
Ley de Fourier
La tasa de transferencia de calor por conducción se expresa como:
donde:
= tasa de transferencia de calor (W) = conductividad térmica del material (W/m·K) = área de la sección transversal (m²) = gradiente de temperatura (K/m)
Ecuación de Conducción Transitoria
Para un estado transitorio, se puede usar la ecuación de conducción de calor en una dimensión:
donde:
= temperatura (K) = tiempo (s) = densidad (kg/m³) = capacidad calorífica específica (J/kg·K)
Convección de Calor
Ley de Enfriamiento de Newton
La tasa de transferencia de calor por convección se expresa como:
donde:
= tasa de transferencia de calor (W) = coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m²·K) = área de la superficie (m²) = temperatura de la superficie (K) = temperatura del fluido lejos de la superficie (K)
Radiación de Calor
Ley de Stefan-Boltzmann
La tasa de transferencia de calor por radiación se expresa como:
donde:
= tasa de transferencia de calor (W) = emisividad de la superficie (adimensional) = constante de Stefan-Boltzmann ( ) = área de la superficie (m²) = temperatura de la superficie (K) = temperatura del entorno (K)
Transferencia de Calor en Sistemas Compuestos
Resistencia Térmica
La resistencia térmica total
donde cada
con:
= espesor de la capa (m) = conductividad térmica de la capa (W/m·K)
Transferencia de Calor en Paralelo
La tasa de transferencia de calor en un sistema en paralelo se puede calcular como:
donde cada
Transferencia de Calor por Evaporación y Condensación
Calor Latente
El calor transferido durante la evaporación o condensación se calcula como:
donde:
= calor transferido (J) = masa del fluido (kg) = calor latente de evaporación o condensación (J/kg)
Eficiencia de Transferencia de Calor
Eficiencia de un Intercambiador de Calor
La eficiencia se puede definir como:
donde:
= tasa real de transferencia de calor (W) = tasa máxima de transferencia de calor (W)
Números adimensionales
Número de Nusselt (Nu)
El número de Nusselt es un número adimensional que caracteriza la transferencia de calor por convección en comparación con la conducción. Se define como:
donde:
= coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m²·K) = longitud característica (m), que puede ser el diámetro de un tubo, la altura de una placa, etc. = conductividad térmica del fluido (W/m·K)
Interpretación:
- Un número de Nusselt alto indica que la convección es significativa en comparación con la conducción. Esto suele ser el caso en flujos turbulentos o en sistemas donde se aplican altas temperaturas.
- Un número de Nusselt bajo sugiere que la conducción es el modo de transferencia de calor predominante, como en situaciones de flujo laminar.
Número de Reynolds (Re)
El número de Reynolds es un número adimensional que describe la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas en un fluido en movimiento. Se define como:
donde:
= densidad del fluido (kg/m³) = velocidad del fluido (m/s) = longitud característica (m) = viscosidad dinámica del fluido (Pa·s)
Interpretación:
: flujo laminar. : flujo turbulento. : régimen de transición.
Número de Prandtl (Pr)
El número de Prandtl es un número adimensional que relaciona la difusión de momento (viscosidad) con la difusión de calor. Se define como:
donde:
= viscosidad dinámica (Pa·s) = capacidad calorífica específica (J/kg·K) = conductividad térmica (W/m·K)
Interpretación:
- Un
indica que la difusión de calor es más rápida que la difusión de momento (fluido ligero). - Un
sugiere que la difusión de momento es más rápida que la difusión de calor (fluido pesado).
Número de Schmidt (Sc)
El número de Schmidt es un número adimensional que relaciona la difusión de masa con la difusión de momento en un fluido. Se define como:
donde:
= coeficiente de difusión de masa (m²/s)
Interpretación:
- Un
indica que la difusión de masa es más rápida que la difusión de momento. - Un
indica que la difusión de momento es más rápida que la difusión de masa.
Número de Grashof (Gr)
El número de Grashof es un número adimensional que mide la importancia de las fuerzas de flotación en un fluido debido a la diferencia de temperatura. Se define como:
donde:
= aceleración debida a la gravedad (m/s²) = coeficiente de expansión térmica (1/K) = temperatura de la superficie (K) = temperatura del entorno (K) = longitud característica (m) = viscosidad cinemática (m²/s)
Interpretación:
- Un
alto indica que las fuerzas de flotación son dominantes en el flujo, como en la convección natural. - Un
bajo sugiere que el flujo es dominado por la viscosidad.
Constantes físicas
Tabla con algunas de las principales constantes físicas y propiedades que son útiles en el análisis de la transferencia de calor y la mecánica de fluidos.
| Constante/Propiedad | Símbolo | Valor | Unidades | Descripción |
|---|---|---|---|---|
| Constante de Stefan-Boltzmann | W/m²·K⁴ | Constante que relaciona la radiación térmica con la temperatura. | ||
| Conductividad térmica del aire | W/m·K | Conductividad térmica del aire a 25 °C. | ||
| Conductividad térmica del agua | W/m·K | Conductividad térmica del agua a 25 °C. | ||
| Capacidad calorífica del agua | J/kg·K | Capacidad calorífica específica del agua. | ||
| Densidad del agua | kg/m³ | Densidad del agua a 4 °C. | ||
| Viscosidad dinámica del agua | Pa·s | Viscosidad dinámica del agua a 25 °C. | ||
| Viscosidad del aire | Pa·s | Viscosidad dinámica del aire a 25 °C. | ||
| Densidad del aire | kg/m³ | Densidad del aire a 25 °C y 1 atm. | ||
| Gravedad | m/s² | Aceleración debida a la gravedad en la Tierra. | ||
| Calor latente de vaporización del agua | J/kg | Calor requerido para vaporizar 1 kg de agua a 100 °C. | ||
| Emisividad del acero | adimensional | Emisividad de la superficie de acero. | ||
| Emisividad del agua | adimensional | Emisividad de la superficie del agua. |
- Los valores proporcionados son aproximados y pueden variar con la temperatura y la presión. Es importante consultar tablas específicas o literatura técnica para obtener valores más precisos en condiciones particulares.
- Las propiedades como la densidad y la viscosidad del aire y el agua cambian con la temperatura, así que asegúrate de considerar las condiciones específicas del problema que estás analizando.
Propiedades de sustancias
Tabla con algunas de las propiedades importantes de los principales materiales y sustancias que se utilizan comúnmente en el análisis de la transferencia de calor.
| Material/Sustancia | Conductividad Térmica | Capacidad Calorífica Específica | Densidad | Viscosidad | Emisividad | Descripción |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Agua | Líquido comúnmente usado en sistemas de calefacción y refrigeración. | |||||
| Aire | Gas utilizado como medio de transferencia de calor en sistemas de convección. | |||||
| Cobre | Metal con alta conductividad térmica, utilizado en aplicaciones eléctricas y térmicas. | |||||
| Aluminio | Metal ligero y eficiente en transferencia de calor, usado en intercambiadores de calor. | |||||
| Acero | Material utilizado en estructuras y componentes de equipos térmicos. | |||||
| Vidrio | Material utilizado en ventanas y recipientes, con baja conductividad térmica. | |||||
| Polipropileno (PP) | Plástico utilizado en aplicaciones de baja temperatura. | |||||
| Poliestireno (PS) | Material aislante común, utilizado en envases y aislamiento. | |||||
| Hormigón | Material de construcción con buena capacidad de almacenamiento de calor. |
- Los valores proporcionados son aproximados y pueden variar dependiendo de la temperatura, la presión y la pureza de los materiales. Siempre es recomendable consultar fuentes específicas o literatura técnica para obtener valores precisos.
- La conductividad térmica es esencial para determinar cómo un material puede transferir calor.
- La capacidad calorífica específica indica la cantidad de energía necesaria para cambiar la temperatura de una unidad de masa de un material.
- La densidad es importante para calcular el peso y el volumen de un material en aplicaciones de ingeniería.
- La viscosidad afecta el flujo de líquidos y gases y, por lo tanto, la transferencia de calor en sistemas de convección.
- La emisividad es un factor clave en la radiación térmica, afectando cómo un material emite y absorbe radiación térmica.