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INTRODUCCIÓN

El flujo de transmisión de calor se da entre sistemas calientes y fríos. La velocidad a la que el calor se transmite depende directamente de dos variables: la diferencia de temperaturas entre los cuerpos calientes y fríos y la superficie disponible para el intercembio de calor.

El calor se transmite de una zona a otra mediante tres mecanismos:
  • Por conducción: se produce por transmisión de energía de vibracional entre las móleculas de cuerpos sólidos en contacto
  • Por convección: en fluidos (líquidos o gases), requiere movimiento a escala macroscópica.
  • Por radiación: es la energía irradiada por los materiales en forma de ondas y esta energía es absorbida por la materia en forma de CALOR; ocurre a través del medio en que la radiación pueda propagarse.

La energía se transmite de la forma que resulta más eficiente, en equipos de transmisión de calor, este se produce por conducción a través de las paredes debido a la vibración entre las moléculas o por el movimiento de electrones libres.

CONCEPTO


La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta el que la tiene menor temperatura. La conducción continúa hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura (equilibrio térmico). Se conoce tambien a la conducción como la interacción, a nivel atómico y molecular, entre partículas de alta energía cinética y partículas de baja energía cinética.
Podemos explicarlo si tenemos en cuenta las "colisiones de las moléculas".
En la superficie de contacto de los dos objetos las moléculas del objeto que tiene mayor temperatura, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto que está a menor temperatura, que se mueven más despacio. A medida que colisionan, las moléculas rápidas ceden parte de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas contiguas. Este proceso continúa hasta que la energía se extiende a todas las moléculas del objeto que estaba inicialmente a menor temperatura. Finalmente alcanzan todas la misma energía cinética y en consecuencia la misma temperatura.

Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras, así, los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos son mejores que los gases. Los metales son muy buenos conductores del calor, mientras que el aire es un mal conductor.

tabla de ejemplos de conduccion de algunos materiales

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MECANISMO

La transmisión de calor por conducción puede realizarse en cualquiera de los tres estados de la materia: sólido, líquido o gaseoso.
Para explicar el mecanismo físico de la conducción, pensemos en un gas en el que existe un gradiente de temperaturas y no hay movimiento global. El gas ocupa todo el espacio entre las dos superficies. Asociamos la temperatura del gas en cualquier punto con la energía que poseen sus moléculas en las proximidades de dicho punto.
Cuando las moléculas vecinas chocan ocurre una transferencia de energía desde las moléculas más energéticas a las menos energéticas. En presencia de un gradiente de temperaturas la transferencia de calor por conducción debe ocurrir en el sentido de la temperatura decreciente, esto es en la dirección positiva del eje de las x . En los líquidos la situación es muy similar que en los gases, aunque las moléculas están menos espaciadas y las interacciones son más fuertes y frecuentes. En los sólidos la conducción se produce por cesión de energía entre partículas contiguas (vibraciones reticulares). En un sólido no conductor la transferencia de energía ocurre solamente por estas vibraciones reticulares, en cambio en los sólidos conductores se debe también al movimiento de traslación de los electrones libres.
La conducción en un medio material, goza pues de un soporte, que son sus propias moléculas y se puede decir que macroscópicamente no involucra transporte de materia.

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Fig. Asociación de la transferencia de calor por conducción con la difusión de energía debida a la actividad molecular


TRANSFERENCIA DEL CALOR POR CONDUCCIÓN


La transmisión de calor por conducción puede realizarse en cualquiera de los tres estados de la materia: sólido, líquido o gaseoso; y se produce mediante la transferencia de la energía de vibración entre las moléculas o por el movimiento de electrones libres. La conducción es particularmente importante en los metales (la transmisión de calor entre fluidos en intercambiadores de calor se da a través de una pared sólida) y se produce sin movimiento visible de materia (Doran, 1998).
Para explicar el mecanismo físico de la conducción, pensemos en un gas en el que existe un gradiente de temperaturas y no hay movimiento global. El gas ocupa todo el espacio entre las dos superficies como se muestra en la figura. Asociamos la temperatura del gas en cualquier punto con la energía que poseen sus moléculas en las proximidades de dicho punto. Cuando las moléculas vecinas chocan ocurre una transferencia de energía desde las moléculas más energéticas a las menos energéticas. En presencia de un gradiente de temperaturas la transferencia de calor por conducción debe ocurrir en el sentido de la temperatura decreciente, esto es en la dirección positiva del eje de las x.
Transferencia de calor por conducción
Transferencia de calor por conducción

La velocidad de conducción de calor a través de la pared de un sólido de espesor x, con una temperatura T1 a un lado de la pared y T2 al otro lado y con área de exposición a la temperatura A, esta determinada por la Ley de Fourier, la misma que establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección como se muestra en su fórmula:
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donde: Q es la velocidad de transmisión del calor, k la conductividad térmica de la pared, A el área de la superficie perpendicular a la dirección del flujo de calor, T la temperatura e y es la distancia media perpendicular a A. El signo negativo de la ecuación muestra que el calor fluye siempre desde el lado de mayor temperatura al de menor temperatura independientemente de si dT/dy es positivo o negativo.

La conducción no es igual de eficaz en todas las circunstancias, depende de varios factores. Comprender cuáles son es muy útil cuando queremos influir sobre ella, ya sea para hacerla más rápida como por ejemplo, si tenemos calor y queremos enfriarnos o más lenta, si vamos a dormir en el campo y no queremos pasar frío. Hablaremos aquí de los tres factores más importantes que afectan a la conducción:
1. El primero de los factores es de la diferencia de temperatura: Debido a que la energía que transfiere una partícula al chocar con otra es mayor cuanto más rápido se mueve, si dos sistemas tienen temperaturas muy diferentes, la energía se transferirá muy rápido entre ellos, pues cada choque supondrá una transmisión de energía muy grande. Al contrario, si los dos sistemas tienen temperaturas muy parecidas, cada partícula proporcionará la misma energía en cada choque de la que recibe, con lo que el cambio neto será lento. Si ponemos en contacto dos ladrillos a temperaturas diferentes, en el caso de arriba hay una transferencia más suave de energía, y en el de abajo, debido a la mayor diferencia de temperatura la transferencia de energía es más violenta.
2. El segundo factor es la superficie de contacto: Debido a que el calor se transfiere al chocar las partículas, mientas más partículas choquen, más rápido se producirá la transferencia de energía. Si ponemos en contacto dos ladrillos a temperaturas distintas, a una mayor superficie de contacto, habrá más partículas interaccionando, no así, cuando existe menos superficie de contacto, con lo que la transmisión será más rápida y las temperaturas se igualarán antes. La diferencia entre estos dos factores, aunque el efecto sea una conducción más o menos rápida: si la diferencia de temperatura entre los ladrillos es mayor, habrá una mayor transmisión neta de energía en cada choque, mientras que si la superficie de contacto es mayor, habrá un mayor número de choques. Se puede combinar ambos factores, una gran diferencia de temperatura y una gran superficie de contacto, para producir un efecto combinado, dando una gran transmisión de energía por cada choque y un gran número de choques.
3. El tercer factor es la naturaleza de los sistemas: Aquí hay que tomar en cuenta que las partículas en un cuerpo están muy cerca unas de otras. Ya que la conducción se da por la interacción entre estas partículas, entre más unidas y más cerca estén estas partículas dentro del sistema, mayor será el número de interacciones y más rápida será la transferencia de energía térmica. La capacidad de una sustancia de transmitir energía térmica por conducción se denomina conductividad térmica, mientras mayor sea ésta, más eficaz será la conducción a través de esa sustancia.


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Dirección del flujo del calor por conducción y gradiente de temperatura
El siguiente video, explica un ejemplo del fenómeno de la conducción:






Propagación del calor por conducción:





























PAREDES PLANAS

Una aplicación inmediata de la Ley de Fourier corresponde al caso de la transmisión del calor a través de una pared plana. Cuando las superficies de la pared se encuentran a temperaturas diferentes, el calor fluye sólo en dirección perpendicular a las superficies.



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Fig. Muro plano

Si la conductividad térmica es uniforme, la integración de (1) proporciona:

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en la que L es el espesor de la pared, T1 es la temperatura de la superficie de la izquierda x = 0 y T2 es la temperatura de la superficie de la derecha x = L .

ANALOGÍA ELÉCTRICA DE LA CONDUCCIÓN



La analogía entre el flujo de calor y la electricidad, permite ampliar el problema de la transmisión de calor por conducción a sistemas más complejos, utilizando conceptos desarrollados en la teoría de circuitos eléctricos. Si la transmisión de calor se considera análoga al flujo de electricidad, la expresión (L k A) equivale a una resistencia y la diferencia de temperaturas a una diferencia de potencial, por lo que la ecuación anterior se puede escribir en forma semejante a la ley de Ohm:

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La inversa de la resistencia térmica es la conductividad térmica (k L) W / m K2, o conductancia térmica unitaria del flujo de calor por conducción.

PAREDES PLANAS EN SERIE


Si el calor se propaga a través de varias paredes en buen contacto térmico, capas múltiples, el análisis del flujo de calor en estado estacionario a través de todas las secciones tiene que ser el mismo. Sin embargo tal como se indica en la figura en un sistema de tres capas, los gradientes de temperatura en éstas son distintos.
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PAREDES EN PARALELO




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Figura 6: Transmisión de Calor a través de una pared con dos secciones en paralelo


La figura representa un bloque formado por dos materiales de áreas A1 y A2 colocado en paralelo. Se debe tener en cuenta que para una determinada diferencia de temperatura a través del bloque, cada capa se puede analizar por separado, teniendo siempre presente las condiciones impuestas para el flujo unidimensional a través de cada una de las dos secciones. Cuando la diferencia de temperatura es pequeña entre los materiales de contacto, el flujo de calor paralelo a las capas dominará sobre cualquier otro flujo normal a éstas,por lo que el problema se puede tratar como unidireccional sin pérdida importante de exactitud.
Como el calor fluye a través de los dos materiales según trayectorias separadas, el flujo total de calor será la suma de los dos flujos.


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El área total de transmisión de calor es la suma de las áreas individuales y la inversa de la resistencia total es igual a la suma de las inversas de todas las resistencias individuales


CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

La conductividad térmica es una propiedad de transporte de los materiales, y sus valores pueden encontrarse en tablas, la conductividad térmica se representa con la letra k, las unidades de k son W/ mK y BTU/h.ft.ºF.Este valor refleja la facilidad de conducción de calor, de manera que cuanto mayor es su valor, más rápida es la transmisión de calor.La siguiente tabla muestra la conductividad térmica de algunos materiales. Se estima a partir de las propiedades críticas, existen métodos gráficos que están basados en el principio de estados correspondientes y son semejantes a los que se usan para la viscosidad (Ordorica,2008).
La transferencia del calor en un material se dá por conducción, la mayor parte de los metales transfieren muy eficientemente debido a que poseen electrones libres capaces de llevar la energía desde las zonas mas calientes a las mas frías del metal. Por otro lado solo hay transferencia de calor entre zonas que están a distintas temperaturas y la dirección del flujo de calor es siempre de temperaturas altas a temperaturas más bajas. Si se transfiere una cantidad de calor Q por la varilla en un tiempo t, llamamos flujo de calor H a la razón Q/t. El flujo de calor también se conoce como corriente térmica.

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Coefiecientes de conductividad térmica
Una alta conductividad térmica, igual q
ue la conductividad eléctrica, es un rasgo característico de los metales. Los metales de baja valencia con carácter metálico más expresado, poseen una conductividad térmica relativamente grande.


En el siguiente experimento se puede observar una aplicación de la conductividad térmica, donde el calor transmitido por los metales va fundiendo la cera, pero ésta se desprende a diferente velocidad, debido a que la conductividad térmica del alambre de cobre es mayor que la del hierro.

























CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EN LÍQUIDOS


La conductividad térmica en líquidos disminuye a medida que aumenta la temperatura, pero el cambio es tan pequeño, que la conductividad térmica se puede mantener constante bajo ciertos intervalos de temperatura, en los líquidos no existe una dependencia apreciable con la presión debido a que estos son prácticamente incompresibles.
La difusión térmica en líquidos se calcula mediante la siguiente f'órmula:


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Para definir la variación de la conductividad térmica en función de la variación de la temperatura, Ridel propone la siguiente ecuación:


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Siendo:

k: la conductividad a la temperatura T=TrTk en °K
Kk: la conductividad a la temperatura crítica Tk en °K
Tr: la temperatura reducida igual a T/Tk
En el caso de no poseer el dato de la conductividad Kk, ésta ecuación se puede emplear para determinar la conductividad a una temperatura para la que no existen resultados de medida; por lo que el valor de Kk se calcula bajo ciertas condiciones en las que se conozca la temperatura crítica utilizando dicha ecuación. Si no se conoce la temperatura crítica se pueden determinar los valores de Kk y Tk efectuando la medición de la conductividad térmica a diferentes temperaturas, esta ecuación se puede utilizar para temperaturas reducidas en un orden de 0,9 aproximadamente

Video explicativo de conductividad térmica en agua






CONDUCTIVIDAD TÉRMICA EN GASES




La conductividad térmica en los gasea aumenta con la presión, pero es te aumento es pequeño a presiones normales que pueden ser despreciables, en cambio cerca del punto crítico, y para presiones o muy bajas o muy altas, la variación de la conductividad térmica en función de la presión no se puede despreciar.

La conductividad térmica de los gases aumenta con la raíz cuadrada de la temperatura absoluta, los gases presentan conductividades térmicas muy bajas, tanto más, cuanto más elevado es su peso molecular, por tal información se puede utilizar la relación (Sutherland), entre la conductividad y la viscosidad dinámica de un gas siendo:



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Donde C es una constante con dimensiones de temperatura, y ε un coeficiente numérico que depende del número n de átomos contenidos en una molécula, de la forma (B. Koch)ct_en_gases_2.jpg
Experimento que demuestra la conductividad térmica en el aire:





APLICACIONES
Placa solar
El calor llega desde el Sol hasta la placa metálica por radiación. El metal de la placa emite radiación en el infrarrojo
panel solar
panel solar

El calor se transmite al líquido que está en c
ontacto con la placa por conducción.

En el líquido se establecen corrientes convectivas que lo mezclan y uniformizan el calor. El agua caliente sube y la fría baja.
El agua más caliente sube al depósito superior y de la parte inferior de este depósito baja el agua más fría que entra por la parte de abajo de la placa. Con esta sencilla placa, y dependiendo de la radiación solar, se alcanzan temperaturas muy altas. Probablemente hayas visto estas placas en los tejados de algunas casas. Bu
sca en la red "placas solares"

http://www.ing.unrc.edu.ar/materias/energia_solar/archivos/teoricos/teorico_conduccion.pdf
La conducción de calor a través de la pared de un sólido de espesor x, con una temperatura T1 a un lado de la pared y T2 al otro lado y con área de exposición a la temperatura A; la velocidad de conducción de calor a través de la pared esta dada por la Ley de Fourier:
Q= -kA dTEl flujo real de calor depende de la conductividad térmica k , que es una propiedad física del cuerpo, T la temperatura y x la distancia medida perpendicularmente a A. dT/dx es el gradiente de temperatura o variación de temperatura con la distancia a través de la pared, su signo negativo muestra que el calor fluye siempre desde el lado de mayor temperatura al de menor temperatura independientemente de si dT/dy es positivo o negativo.

Molienda Criogénica


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Existen muchos sectores de la industria que manejan partículas finamente divididas molecularmente, tanto que se se registran diámetros del orden de micras. Las aplicaciones incluyen el reciclaje de plásticos, materiales elastómeros, materiales poliméricos, colorantes y pigmentes, recubrimientos, especias, aditivos, productos farm
acéuticos, etc.

Para ellos, actualmente se utilizan líquidos cuyos puntos de ebullición son de temperaturas muy bajas, tal es el caso del nitrógeno líquido, cuyo punto de ebullición es del orden de los 77 K. A esta temperatura casi cualquier sustancia tiende a vitrificarse.

Cuando un material se somete a un esfuerzo o tensión, se produceuna deformación del mismo, si se aumenta progresivamente el esfuerzo, llega un momento en el que el materia se fractura. En este punto cabe distinguir dos tipos de materiales: rígido y frágil.

  • Rígido: Es aquel material que tiende a romperse después de la deformación, por ejemplo el caucho.
  • Frágil: Aquel que tiende a romperse sin deformación, por ejemplo el vidrio.

Cuando un material, que a temperatura ambiente se rompe tras deformarse notablemente, se enfria de forma progresiva existe una termperatura por debajo de la cual se vuelve rígido y frágil, a esta temperatura se la denomina temperatura de fragilización.

la utilización de gases criogénicos para fragilizar mediante enfriamiento los materiales a moler por debajo de su temperatura de fragilización es el único método efectivo para conseguir diámetros de partícula pequeños y este proceso se realiza con maquinaria conocida como molinos micronizadores, que se muestran en la siguiente fi
gura:

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Cocina Solar
La cocina solar es una placa metalica con forma parabólica en el foco de la parabola se coloca una olla metalica. al chocar la energía solar con la placa esta es iradiada hacia el foco de la parabola donde se encuentra la olla de metal. Dicha olla absorbe la energia y esta es conducida a través de la pared metalica de la misma hacia el agua o el elemento que se desee cocinar.
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Referencias:
http://www.google.com.ec