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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)  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

50

PIEL SECA, PULSO INTENSO, INCONSCIENSIA

45

SUDORACIÓN EXCESIVA

40

TEMPERATURA NORMAL

37

AUMENTA EL METABOLISMO PARA MANTENER LOS 37ºC

36

EL CUERPO TIRITA FUERTE

35

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

20

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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11 transmisión del calor  

Clase 11 Transmisión del Calor

11 transmisión del calor  

Clase 11 Transmisión del Calor

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