Laboratorio de Conducción 5

LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Laboratorio 01: Conducción unidimensional de calor 1. INTRODUCCIÓN Los ingenieros ingenieros que estudian termodinámica y trasferencia trasferencia de calor necesitan saber cómo los diferentes materiales y sus formas geométricas conducen el calor. Por esta razón, pueden usar esta información para predecir cómo la energía térmica se transferirá a través de sus propios diseños. Los experimentos de transferencia de calor muestran a los estudiantes cómo el calor se equilibra por diferentes métodos.

2. OBJETIVOS 

Demostrar cómo el calor se conduce linealmente linealmente a lo largo de una barra sólida de dimensiones y materiales uniformes.



Determinar mediante datos experimentales la conductividad térmica de diferentes materiales, en una barra sólida.



Analizar el efecto de la conductividad térmica sobre la distribución de temperatura.

3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Esta unidad experimental indica que el calor se conduce a lo largo de una barra de metal de sección transversal circular uniforme. Tiene un calentador eléctrico en un extremo para generar energía térmica (fuente de calor) y una cámara pequeña en el otro extremo con agua (el disipador de calor). El suministro de agua fría de la unidad base fluye a través del disipador de calor para eliminar la energía térmica. Un interruptor térmico junto al calentador funciona con la unidad base para desconectar la alimentación eléctrica del calentador si se calienta demasiado. Siete termopares igualmente espaciados a lo largo de la barra miden el gradiente de temperatura entre la fuente de calor y el disipador de calor. La barra incluye una sección intermedia intercambiable que le permite ajustar diferentes metales (suministrados) y estudiar cómo afectan el gradiente de temperatura a lo largo de la barra. El aislamiento rodea la barra para reducir la pérdida de calor por radiación y convección, dándole resultados más precisos para comparar con la teoría.

4. FUNDAMENTO Y FORMULAS

Conducción lineal de calor Considere una barra de sección circular como se muestra en la figura 1, donde la temperatura en T1 es mayor que en T2. La energía térmica fluye en forma natural desde el extremo más caliente a la temperatura T1 hasta el extremo más frío a la temperatura T2.

Figura 1. Barra de sección transversal circular que conduce el calor

Gradiente de temperatura lineal El gradiente de temperatura lineal a lo largo de un material es el cambio de temperatura por unidad de longitud. Por lo tanto, para el ejemplo de la figura 1, el gradiente de temperatura es: T −T L

……… (1)



Un buen conductor térmico tiene un gradiente de baja temperatura



Un mal conductor térmico (o aislante) tiene un gradiente de temperatura alto

Ecuaciones lineales de conductividad térmica Como se mencionó anteriormente, la conductividad térmica es una medida de la rapidez con que la energía térmica se desplaza a lo largo de una longitud de material de un área de sección transversal unitaria. Por lo tanto, para la barra sólida de sección circular en l a figura 1, la ecuación incluye el área (A) de la sección transversal y la longitud (L) entre las dos temperaturas medidas

  

= 

1      ……………(2) 

De la formula (2) se obtiene :

 =  

1      ……………(3) 

El estándar de esta ecuación es:

   

=

1   

Por lo tanto: para calcular la conductividad térmica de un material, la ecuación debe reordenarse para obtener:

= 

 (1   ) 

……………(4)

Las unidades de conductividad térmica son J.S-1 m-1 k-1. Sin embargo, como 1 joule por segundo es igual a Watt, es más útil escribir un Wm-1K-1

=

  (1    )

……………(5)

NOTA: Estas ecuaciones asumen condiciones ideales donde toda la transferencia de calor es por conducción y no se pierde calor al entorno por convección o radiación. Las ecuaciones para la conductividad térmica utilizan las dimensiones del material, pero en realidad es una medida de las propiedades del material, independientemente de su forma o tamaño. Por ejemplo, una gran pieza de acero tiene la misma conductividad térmica que una pequeña pieza de acero.

5. PROCEDIMIENTO (DESCRIPCIÓN) Material de latón estándar y bronce. 1. Conecte y configure el experimento de conducción de calor lineal según recomendaciones. 2. Montar en la sección central de la unidad, el latón, usando la pasta térmica. 3. Cree una tabla de resultados en blanco (Tabla N°1). Si tiene VDAS, seleccione el experimento correcto. El software creará automáticamente una tabla para usted cuando comience a tomar lecturas. 4. Utilice un termómetro preciso para verificar la temperatura local del aire ambiente como referencia. 5. Abra la válvula de salida de agua para iniciar el flujo de agua, luego encienda el calentador y ajuste a 30 Watt de potencia. 6. Espere a que las temperaturas se estabilicen y luego registre las temperaturas de T1 a T7 7. Para comparar, repita la prueba con una o más potencias de calentador mayores de 30W 8. Para finalizar desconectar el calentador y el suministro de agua.

6. TABLAS Y GRÁFICOS Tabla N°1. Datos experimentales de potencia y temperatura

Experimento 01: Conducción lineal de calor Sección media Material: latón Temperatura ambiente: Potencia T1 (K) T2 (K) T3 (K) (W) 30

Distancia desde T1 (m)

0

0,02

0,04

T4 (K)

T5 (K)

T6 (K)

T7 (K)

0,06

0,08

0,10

0,12

Referencia: L = Longitud de la barra cilíndrica D = diámetro de la sección transversal de la barra A = Sección transversal de la barra Ti: temperatura de la barra en cada posición establecida Nota: antes de cada experimento determinar los valores para cada barra.

Tabla 2. Datos experimentales de potencia y temperatura Experimento 02: Conducción lineal de calor Sección media Material: acero inoxidable Temperatura ambiente: Potencia T1 (K) T2 (K) T3 (K) (W) 30

Distancia desde

0

0,02

0,04

T4 (K)

T5 (K)

T6 (K)

T7 (K)

0,06

0,08

0,10

0,12

T1 (m)

Referencia: L = Longitud de la barra cilíndrica D = diámetro de la sección transversal de la barra A = Sección transversal de la barra Ti: temperatura de la barra en cada posición establecida Nota: antes de cada experimento determinar los valores para cada barra.

7. RESULTADOS A OBTENER 1. Graficar temperatura-distancia, para cada ajuste de potencia a lo largo de la barra con respecto a la T1 para el latón tipo CZ121, cobre y acero inoxidable 2. Halle la conductividad térmica del latón tipo CZ121, cobre y acero inoxidable. 3. Compare los valores de la conductividad térmica obtenida con el valor típico dado en tablas. ¿Puede explicar la causa de cualquier error? 4. Analizar para cada material el efecto de la conductividad térmica sobre la distribución de temperatura.

8. PRECAUCIONES Y RECOMENDACIONES 1. Los resultados serán más precisos si espera que las temperaturas se estabilicen antes de anotar sus resultados. PARA AJUSTAR EL EXPERIMENTO 1. Apague la unidad de base y el interruptor del calentador 2. Coloque el producto en la parte frontal de la unidad base. Utilice los tornillos manuales para sostenerlo en las posiciones. 3. Conecte las tuberías de suministro de agua (si su experimento las necesita). Asegúrese de conectarlos de la forma correcta, ya que esto afectará a sus resultados. 4. Conecte el suministro de agua y compruebe durante varios minutos que no haya fugas.