A lo largo de la
primera unidad se han analizado y planteado sistemas en donde la transmisión de
calor ha estado limitada por las fronteras de un mismo cuerpo, ahora se desea
conocer el efecto de transmisión de calor dentro del mismo, en donde es generado
por la conversión de otro tipo de energía sin que este almacenada.
En este tema se
conocerán las diferentes situaciones en donde ocurre este fenómeno.
1) Efecto Joule
Caso de un cilindro
Un ejemplo común es
el uso de resistencias eléctricas para calentar algún liquido o comida en donde
se hace pasar corriente eléctrica sobre un alambre de manera "extendida”
(una parrilla o estufa eléctrica).
La transmisión de
corriente eléctrica es un proceso irreversible, y algo de la energía eléctrica
se convierte en calor (energía térmica).
Primero comenzamos
con el balance de energía en donde se le agrega un término adicional al de
estado estacionario:
Una vez que se conocen las distribuciones de temperatura y de la densidad de flujo de calor, puede obtenerse más información sobre el sistema.
Y después SE
en la expresión para la diferencia de temperaturas, se obtiene la relación
entre la diferencia de potencial E y la temperatura máxima.
La temperatura
máxima también dependerá de la relación de conductividades eléctrica y térmica,
de la geometría del conductor, es decir de su radio y su longitud y de la
temperatura To en la superficie del conductor.
b) Viscosidad
Esta es generada
por aceite o líquido que actúa como lubricante de dos superficies
cilíndricas dentro de algún motor y este tipo de energía es generada gracias a
la fricción entre dos cilindros.
A medida que el
cilindro exterior gira, cada envoltura cilíndrica de fluido entra en contacto con
una envoltura adyacente de fluido. Esta fricción entre capas adyacentes del
fluido produce calor; es decir, la energía mecánica se degrada en energía
térmica. La fuente de calor por unidad de volumen que resulta se llama Sv y se
define como:
c) Por reacción química
Un ejemplo es la obtención de ácido sulfúrico a través de
trayectos largos de tuberías y altas temperaturas en contacto con vapor de agua
en una zona.
En una reacción química se produce o consume energía térmica
cuando las moléculas reaccionantes se reordenan para formar los productos. La
velocidad volumétrica de producción de energía térmica por reacción química se
le denomina Sc y se define como:
d) Reacción Nuclear
Este fenómeno se puede observar en barcos de exploración
ártica y reactores nucleares.
Consideremos un elemento combustible nuclear esférico
material fisionable de radio RF, rodeado por una envoltura esférica
de "revestimiento" de aluminio con radio exterior RC. En
el interior del elemento combustible se producen fragmentos de fisión cuyas
energías cinéticas son muy elevadas. Esta fuente volumétrica de energía térmica
que resulta de la fisión nuclear se denomina Sn y se define como:
Es importante su compresión para lograr evitar desastres al
elevarse la temperatura del núcleo fisionable a la misma temperatura de fusión
de la capa envolvente de aluminio.
e) Caso especial. Transiciones de fase
En nuestra área de estudio conocemos y aplicamos técnicas
para optimizar la obtención de materiales metálicos.
Uno de ellos son los tratamientos térmicos que son ciclos controlados
de calentamiento y enfriamiento para provocar cambios en la microestructura,
durante este proceso se utiliza la energía almacenada en las microestructuras y
resulta en el efecto conocido como recalescencia, que es el cambio de pendiente
que se aprecia en la curva de enfriamiento que ocurre en las reacciones de
transformación en este caso de los aceros desde la temperatura de austenización
porque son reacciones químicas exotérmicas.
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