Generación de Calor en un Sólido y Conductividad Térmica variable con la Temperatura

La transferencia de calor comprende la conversión de algunas formas de energía en energía térmica en el medio. Se dice que los medios de ese tipo comprenden generación interna de calor, la cual se manifiesta como una elevación en la temperatura en todo el medio. Por ejemplo tenemos el calentamiento por resistencia en alambres, las reacciones química exotérmicas en un sólido y la reacciones nucleares en las barras de combustible nuclear.

Transferencia de Exergía por Calor, Trabajo y Masa

La Exergía como la energía, puede transferirse hacia o desde un sistema en tres formas: calor, trabajo y flujo másico. Esta transferencia es reconocida en la frontera del sistema cuando la exergía la cruza, por lo que representa la exergía ganada o perdida por un sistema durante un proceso.

Cambios de Exergía de un Sistema

La exergía es el trabajo potencial de un sistema en un ambiente especificado y representa la cantidad máxima de trabajo útil que puede obtenerse cuando el sistema llega al equilibrio con el ambiente.Al contrario de la energía, el valor de la exergía depende tanto del estado del ambiente como del estado del sistema, por lo tanto la exergía es una propiedad de combinación. La exergía de un sistema que esta en equilibrio con su ambiente es cero. El estado del ambiente se conoce como estado muerto porque desde el punto de vista termodinámico el sistema esta prácticamente muerto cuando alcanza tal estado.

Trabajo Reversible y Irreversibilidad

La Exergía es una propiedad muy valiosa en la determinación de la calidad de la energía. Sin embargo la evaluación sola de la exergía no es suficiente para estudiar dispositivos técnicos, ya que cuando se evalúa la exergía, se supone que el estado final es el estado muerto, lo cual no ocurre en sistemas técnicos reales.

¿Qué es el estado muerto?

Se dice que un sistema está en estado muerto cuando se encuentra en equilibrio termodinámico con el ambiente. En este estado, un sistema está a la temperatura y a la presión de su ambiente, es decir en equilibrio térmico y mecánico, por lo tanto no tiene energía cinética o potencial relativa a su ambiente, con sus respectivas velocidades y elevaciones igual a cero.

Exergía

La Exergía es la cantidad de energía que se puede extraer como trabajo útil, también es conocida como potencial de trabajo, disponibilidad o energía disponible. El potencial de trabajo de la energía contenida en un sistema en un estado especificado es simplemente el trabajo útil máximo que puede obtenerse del sistema. Recordemos que el trabajo realizado durante un proceso depende de los estados inicial y final y de la trayectoria del proceso. Es decir:

Segunda Ley de la Termodinámica

La Segunda Ley de la Termodinámica es conocida como la Ley de la Entropía en Aumento. Según la primera ley la cantidad de masa o la energía permanece igual durante el proceso, pero la calidad de energía o masa se deteriora con el tiempo. Por lo tanto la Segunda Ley de la Termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza, pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos pueden ocurrir y son aquellos que cumplen con los siguientes requisitos:

Leyes Termodinámicas

La Termodinámica se define como ciencia que se encarga del estudio de los procesos en que los que produce la transferencia de energía como calor y trabajo.

El trabajo se efectúa cuando existe una transferencia de energía de un cuerpo a otros por medios mecánicos. Y el calor es la transferencia de energía de un cuerpo a otro por la diferencia de temperaturas.

Ecuación de la Conducción de Calor

La transferencia de Calor tiene dirección y magnitud. La razón de la transferencia de calor en una dirección específica es proporcional a la gradiente de la temperatura. Por lo tanto se dice que las conducción de calor es estacionaria cuando la temperatura no varia con el tiempo y transitoria cuando la temperatura varía con el tiempo. Ademas la transferencia de calor puede ser en un medio unidimensional, bidimensional o tridimensional.

Conductividad y Difusividad Térmica

Conductividad Térmica

La conductividad térmica (k) es la medida de capacidad que tiene un cuerpo para conducir calor y sus unidades son W/m.°C. Por lo tanto se puede decir que la conductividad térmica de un material es la razón de transferencia de calor a través del espesor de un material, por unidad de área y por unidad de diferencia de temperatura. Donde un valor alto de conductividad térmica indica que el material es buen conductor, mientras que un valor bajo indica que es un mal conductor llamado aislante.

¿Qué pasa con la conductividad térmica, si el material es anisotrópico?¿Que ecuación se debe utilizar?

Los materiales anisotrópicos son aquellos que poseen cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de luz, etc. que varían según en la dirección que son estudiados, es decir son aquellos materiales que se inclinan a una dirección predeterminada de propagación, por lo general son materiales como sólidos cristalinos simples no cúbicos, materiales fibrosos y laminados, para tales sustancias se utiliza la siguiente ecuación para determinar la conductividad térmica, donde el vector densidad de flujo de calor no apunta a la misma dirección que la gradiente de temperatura:

¿Qué pasa con la conductividad térmica de las aleaciones?

Cuando se tiene una aleación de dos metales, se esperaría que la conductividad de ambos metales K1 y K2, tenga un valor de conductividad térmica promedio entre K1 y K2, pero eso no ocurre así. La Conductividad Térmica de una aleación de dos metales suele tener un valor mucho mas bajo que cualquiera de ellos.

¿Qué pasa con la conductividad térmica de un líquido con respecto a la de un sólido?

La conductividad térmica de un líquido se complica, por el hecho de que sus moléculas están más cercanas entre sí, y ejercen un campo de fuerzas intermoleculares mas intenso y por lo tanto el valor obtenido de K para los líquidos, corresponden únicamente a una estimación. El valor de la conductividad térmica en los líquidos suele ubicarse entre los valores de los sólidos y de los gases.

¿Por qué la conductividad térmica en la mayor parte de los líquidos, disminuye con el incremento de la temperatura?

La disminución de la Conductividad Térmica de los líquidos con el incrementos de temperatura, se debe a que la correlación que se plantea para estimar el valor de la conductividad térmica por medio de la utilización de un diagrama, es menos confiable en región líquida; ya que los líquidos polares o asociados, como el agua, pueden exhibir un máximo en la curva de la conductividad térmica con la temperatura.

¿Qué es más fácil utilizar, la Energía Interna o la Energía Mecánica?¿Por qué?

La Energía Mecánica se la define como, aquella energía que puede transformarse en trabajo mecánico de modo directo, mediante un dispositivo o equipo mecánico. 

Por lo tanto la energía mecánica es mucho más fácil de utilizar que la energía interna.

Ley de Fourier

La conducción de calor a través de un cuerpo está determinada por la Ley de Fourier. La misma que afirma que la velocidad del flujo o de conducción de calor por unidad de sección transversal o de área, es proporcional a la gradiente de temperatura que existe en el cuerpo. (Con signo cambiado)*

Energía Interna

La Energía que posee un sistema puede presentarse de diferentes formas, entre ellas tenemos: térmica, mecánica, cinética, potencial, etc., y la suma de todas ellas constituyen la energía total del sistema. Una de las energías mas importantes que poseen los cuerpos es la energía interna, que se la relaciona directamente con la estructura molecular de sistema y con la suma de todas las energías microscópicas que la constituyen y se la denota con el símbolo (U), viene dado en unidades de energía (J, BTU, calorías).

Fundamentos Básicos de la Transferencia de Calor

La Transferencia de Calor es la ciencia que estudia la determinación de las razones por las que se produce la transferencia energía en forma de calor dentro de un sistema.

El Calor: Es la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro, como resultado de la diferencia en la temperatura.

La Termodinámica se diferencia de la Transferencia de Calor, porque, la primera se encarga del estudio de los estados de equilibrio y los cambios desde un estado de equilibrio. Y la segunda se encarga del estudio de los sistemas en los que faltan el equilibrio térmico, y por lo tanto existe un estado de no equilibrio.

Importancia de la Transferencia de Calor en la Ingeniería Química

Se sabe que a nivel Industrial existe una gran variedad de equipos que funcionan en base a los principios de la Transferencia de Calor, como tenemos: Intercambiadores de Calor, calderas, condensadores, radiadores, calentadores, hornos, refrigeradores, etc. Pero como en toda ciencia se presentan ciertas problemáticas y esta no es la excepción, así que se presentan de dos tipos: