Universidad Nacional Del Altiplano Facultad De Ingeniería Química

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DEMOSTRACION EXPERIMENTAL EXPERIMENTAL DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN I. OBJETIVOS Encontrar los fundamentos básicos que explican los fenómenos térmicos y los mecanismos de transmisión del calor, por convección.

II. FUNDAMENTO FUNDAMENTO TEORICO La energía cinética puede transformarse en calor, el cual es fácilmente registrable como consecuencia del choque o frotamiento de los cuerpos. Al lado de estas formas visibles de energía pueden comprobarse manifestaciones cinéticas en las moléculas y átomos, cuyos choques entre sí determinan la energía térmica, la cual resulta ser, por lo tanto una consecuencia del movimiento molecular atómico. Es preciso distinguir entre temperatura, energía interna y calor; así se tiene que:

TEMPERATURA: Es una medida de la energía cinética medida de las moléculas individuales, esta medición se realiza con la ayuda de los termómetros. La unidades de temperatura son grados centígrados (oC), grados kelvin (K) o grados fahrenheit (oF).

Energía Interna (U): Es la energía total de todas las moléculas de un cuerpo. Calor: Es la transferencia de energía de un cuerpo a otro a causa de una diferencia de temperatura. Se mide en los calorímetros, por lo tanto el calor se mide en unidades de energía (Joule). El calor y la energía térmica se especifican a veces en calorías o en kilocalorías, siendo que: 1 cal = 4.18 J Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar 1 oC la temperatura de 1 g de agua (de 14.5 a 15.5 oC) Calor específico (ce), de una sustancia se define como la energía (o calor) necesaria para cambiar 1 grado la temperatura de una sustancia, es decir:  =  ∆

Donde: Q = Calor absorbido o cedido m = Masa de la sustancia ∆ = Aumento o disminución de la temperatura Ce = 1cal/g oC= 4.18x103 J/Kg oC (para agua a 15 oC y a 1 atm)

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El calor se transfiere de un lugar a otro por tres mecanismos distintos:

Por Conducción:  la energía se transfiere desde las moléculas o electrones de mayor energía cinética al chocar con las moléculas vecinas de menor energía cinética. Cuando en un medio sólido existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo qk  es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx multiplicado por el área A a través del cual se transfiere es decir

T: temperatura; x: dirección del flujo de calor El flujo de calor depende de la conductividad térmica k que es la propiedad física del medio [W/m K], luego se tiene

Convenios

del

Fig. 4.13 Representación del convenio del signo

signo

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Por Convección: Cuando la transferencia de energía se da por un movimiento en masa de las moléculas. Cuando un fluido se pone en contacto con una superficie sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de energía térmica se denomina transferencia de calor por convección. Hay dos tipos de procesos de convección: convección libre o natural y convección forzada. En el primer caso la fuerza motriz procede de la diferencia de densidad en el fluido que resulta del contacto con una superficie a diferente temperatura y da lugar a fuerzas ascensionales. En el segundo caso una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie a una temperatura mayor o inferior que la del fluido. Para una u otra forma de transferencia de calor por convección, la cantidad de calor es

Donde

transferencia de calor por convección en la interfase líquido -sólido.  A área superficial en contacto con el fluido en m2 Ts Temperatura de la superficie , K Tf,  ¥ Temperatura del fluido no perturbado lejos de la superficie transmisora del calor El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de la densidad, viscosidad y velocidad del fluido, así como de sus propiedades térmicas (conductividad térmica y calor específico). La resistencia térmica en la transferencia de calor por convección viene dada por

Fig. 4.18 Analogía eléctrica para la convección

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Por Radiación: Cuando no necesita presencia de materia, es una transferencia de energía mediante ondas electromagnéticas como por ejemplo el Sol Por radiación la energía se transporta en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. La radiación electromagnética que se considera aquí es la radiación térmica. La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie. Un radiador perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie por unidad de tiempo qr  dada por la ecuación

Para evaluar la transferencia neta de energía radiante requiere una diferencia en la temperatura superficial de dos o mas cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio. Si un cuerpo negro irradia a un recinto que lo rodea completamente y cuya superficie es también negra (es decir absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, la transferencia neta de energía radiante por unidad de tiempo viene dada por

T1: Temperatura del cuerpo negro en Kelvin T2: Temperatura superficial del recinto en Kelvin Si a una temperatura igual a la de un cuerpo negro emiten una fracción constante de la emisión del cuerpo negro para cada longitud de onda, se llaman cuerpos grises. Un cuerpo gris emite radiación según la expresión

El calor radiante neto transferido por unidad de tiempo por un cuerpo gris a la temperatura T1 a un cuerpo negro que le rodea a la temperatura T2 es

donde e 1  es la emitancia de la superficie gris, igual a la relación entre la emisión de la superficie gris y la emisión de un radiador perfecto a la misma temperatura. Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto, pero poseen entre sí una determinada relación geométrica, el calor radiante neto transferido entre ellos viene dado por

donde F1-2 es un módulo que modifica la ecuación de los radiadores perfectos para tener en cuenta las emitancias y las geometrías relativas de los cuerpos reales.

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EXPANSIÓN TÉRMICA Los cuerpos están constituidos por moléculas, los que en el caso de los sólidos y líquidos guardan entre sí distancias más o menos fijas. Si calentamos o enfriamos un cuerpo, observamos que ellos se dilatan o se contraen, respectivamente, esto se explica porque a nivel molecular el cuerpo a alta temperatura aumenta su agitación y por ende las distancias intermoleculares a baja temperatura ocurren lo contrario, la expansión puede ser:

Lineal: ∆ =  ∆

Superficial: ∆ =  ∆

Volumétrica: ∆ =  ∆

III. MATERIALES Y REACTIVOS Vaso de precipitado de 1000 ml Matraz de 500 ml Tapón horadado Varillas de vidrio Termómetro Equipo de baño maría Colorante  Agua

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IV.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO N° 01 Determinación del coeficiente de expansión térmico del mercurio en un termómetro Medir la temperatura inicial del termómetro.  Aumentarle el calor para volver a medir la temperatura. Medir la longitud respectiva.  Anotar los resultados en la tabla N° 01

EXPERIMENTO N° 02 Demostración experimental de la transferencia de calor por convección Mezclar un poco de colorante en un matraz completamente lleno de agua.  Agitar bien y calentar el agua coloreada hasta la temperatura de 70 °C. Insertar un tapón en el matraz tal como se muestra en la figura N° 01. Sumergir el matraz caliente en un depósito lleno de agua a t emperatura ambiente como se muestra en la figura.  Anotar las observaciones en los próximos 10 minutos.

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IV.RESULTADOS EXPERIMENTO 01 Tabla N° 01 coeficiente de expansión térmico del mercurio No To (0C) TFinal (0C) Lo (cm) 01 02 03 04

10 12.5 23 45

12.5 23 45 77

∆

=

∆  ∆

0.3 1.4 5.0 9.9

INTERPRETACION: En la tabla No1, se observa los resultados del coeficiente de expansión térmica del mercurio, teniendo los resultados de las cuatro pruebas del experimento, observamos que varían en menor proporción, de esta manera se ha obtenido un resultado promedio de 1.82963x10 -4 oC-1. Estos resultados se deben a que se ha realizado una buena práctica en el laboratorio de los cuales los datos han sido correctamente registrados.

EXPERIMENTO 02

OBSERVACIONES: Se ha mezclado un poco de colorante en un matraz completamente lleno, luego se ha sometido el matraz a una temperatura de 70 oC, luego tapamos el matraz con un tapón y se a sumergido en un balde de agua fría casi lleno, a una temperatura ambiente (12.8 oC); después de un aproximado de 12 segundos  empezó a desprender de la boca del matraz el agua coloreada lentamente apreciándose un gas en forma de vapor, de esta manera se ha demostrado la transferencia de calor por convección natural, tal como se demuestra en la imagen.

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V. CONCLUSION 



En el experimento 1 se ha determinado el coeficiente de expansión térmico del mercurio en un termómetro, obteniéndose de las cuatro pruebas un valor promedio aproximado de 1.82963x10-4 oC-1. Estos resultados se deben a que se ha realizado una buena práctica en el laboratorio de los cuales los datos han sido correctamente registrados. En la práctica 2 se ha determinado la transferencia de calor por convección natural, preparado en un matraz con agua coloreada (a 70 oC), sumergido en un balde con agua fría a temperatura ambiente, después de 12 segundos empezó a desprender un gas en forma de vapor, debido a la uniformidad de la temperatura.

VI. SUGERENCIAS 

Poner mucha atención a la explicación del docente ya que al momento de realizar los experimentos podemos tener dificultades por no prestar atención



Tener los materiales adecuados e implementos necesarios



Durante las prácticas de laboratorio se debe de emplear mucha disciplina y seriedad, los demás estudiantes no toman interés en la práctica es por eso los cálculos y resultados obtenidos no se aproximan a los valores teóricos

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VII. CUESTIONARIO 1) Cuál es la importancia de los coeficientes de expansión térmica El incremento en el volumen de un material a medida que aumenta su temperatura; por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en las medidas por unidad de cambio de temperatura. Cuando el material es sólido, la expansión térmica se describe en términos de cambio de longitud, altura o grosor. Si el material es líquido, por lo general se describe como un cambio de volumen. Debido a que las fuerzas de unión entre átomos y moléculas varían de material a material, los coeficientes de expansión son característicos de los elementos y compuestos. Los metales más suaves tienen un coeficiente de expansión (CTE) alto; por otra parte, los materiales más duros, como el tungsteno, tienen un CTE bajo. La incompatibilidad de CTE entre dos piezas de trabajo puede generar una tensión residual importante en la unión, la cual, al combinarla con la tensión aplicada, puede causar fallas ante una menor resistencia a la tracción.  A temperatura ambiente, el agua se dilata cuando la temperatura sube y se contrae cuando baja. Pero próximo al punto de congelación, al 0 ºC ocurre lo contrario, lo cual es muy importante para la preservación de la vida. El agua, en el intervalo de temperaturas de 0 a 4 °C se contrae al aumentar la temperatura. En este intervalo, su coeficiente de expansión es negativo. Por arriba de 4 °C el agua se expande al calentarse. Por lo tanto, el agua tiene su mayor densidad a 4 °C. El agua también se expande al congelarse, en cambio, la mayoría de los materiales se contraen al congelarse. Este comportamiento anómalo del agua tiene un efecto importante sobre la vida vegetal y animal en los lagos. Un lago se enfría de la superficie hacia abajo; por arriba de los 4°C, el agua enfriada en la superficie se hunde por su mayor densidad; sin embargo, cuando la temperatura superficial baja de 4° C, el agua en el fondo sigue a 4°C hasta que casi todo el lago se congela. Si el agua se comportara como la mayoría de las sustancias, contrayéndose continuamente al enfriarse y congelarse, los lagos se helarían de abajo hacia arriba.

2) En el experimento N° 02, que provoca los movimientos que se observan en el liquido En esta parte se trabajó con el colorante para mejor observación de transferencia de calor por convección.  Apreciamos claramente que después de 12 segundos el agua con colorante del matraz con tapón sale en forma de gas y esto nos indica que hay una transferencia de calor por convección, y el depósito de agua a temperatura ambiente se colorea lentamente.

3) Cuál es la importancia en el diseño de equipos

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Los equipos para el procesamiento de alimentos se suelen aislar para minimizar las pérdidas de calor hacia el entorno. Si no se aíslan, los equipos pueden tener pérdidas de calor por cualquiera de los tres mecanismos de transmisión de calor: conducción, convección o radiación. Las pérdidas de calor por convección serán las más importantes, pues las corrientes de convección se desarrollarán fácilmente si existe una diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno. Es necesario aislar para disminuir el flujo de calor entre un objeto y sus alrededores. El material aislante debe tener baja conductividad térmica y capacidad para frenar las corrientes de convección. Los materiales más utilizados para aislar incluyen el corcho, la magnesia, el vidrio y la lana. En el pasado se utilizó mucho el asbesto por sus buenas propiedades aislantes, pero la fibra de asbestos se mostró causante del cáncer y ya no se utiliza. Actualmente se fabrican piezas de magnesia y otros aislantes de fácil instalación sobre tuberías y otros equipos. Otro importante es el diseño de equipos es el termómetro o termocupla ya que todos los equipos de intercambiador de calor deben tener para registrar la temperatura.

4) Como se enuncia la ley de enfriamiento de newton Experimentalmente se puede demostrar y bajo ciertas condiciones obtener una buena aproximación a la temperatura de una sustancia usando la Ley de Enfriamiento de Newton. Esta puede enunciarse de la siguiente manera: establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores. Fue determinado experimentalmente por  Isaac Newton analizando el proceso de enfriamiento y para él la velocidad de enfriamiento de un cuerpo cálido en un ambiente más frío Tm, cuya temperatura es T, es proporcional a la diferencia entre la temperatura instantánea del cuerpo y la del ambiente: dT (t) /dt = k(T-Tm) T = Temperatura del cuerpo en un tiempo determinado. k = Constante de Proporcionalidad Tm= Temperatura del medio Esta expresión no es muy precisa y se considera tan sólo una aproximación válida para pequeñas diferencias entre Tm y T. En todo caso la expresión superior es útil para mostrar como el enfriamiento de un cuerpo sigue aproximadamente una ley de  decaimiento exponencial: T (t) = Tm + (T0 – Tm ) e-kt Esta expresión resulta de resolver la ecuación diferencial Una formulación más precisa del enfriamiento de un cuerpo en un medio necesitaría un análisis del flujo de calor del cuerpo cálido en un medio heterogéneo de temperatura. La aplicabilidad de esta ley simplificada viene determinada por el valor del número de Biot. En la actualidad el enfriamiento newtoniano es utilizado especialmente en modelos climáticos como una forma rápida y computacionalmente menos costosa de calcular la evolución de temperatura de la atmósfera. Estos cálculos son muy útiles para determinar las temperaturas así como para predecir los acontecimientos de los f enómenos naturales. Según esto, integrando se llega a la solución: Ln(T-Tm) = kt + C Pero después dice que la formula final ya separada queda así: T = Cekt + Tm

VIII. BIBLIOGRAFÍA

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MC Cabe W.L. y Smith J.C. (1980) “Operaciones básicas en Ing. Química” 5t a edición Perry R: H y Clinton Cecil H. (1984) “Manual del Ingeniero Químico” Editorial Mc Graw Hill Latinoamericana S. A. Colombia. Tello P., Edith “Guía de prácticas”. Tello P., Edith “compendio de fenómenos del transporte”. Incropera Franck P. y DEwitt David, (1999) “Fundamentos de transferencia de Calor”. https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_del_enfriamiento_de_Newton

IX. ANEXOS