Autor : Miguel Hernández 

C.I:28.613.483

Institución : INSTITUTO UNIVERSITARIO TECNOLOGÍA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

Disponibilidad y Procesos que involucran transmisión de calor

Explorando la Energía y sus Límites: Disponibilidad y Transferencia de Calor

Sumérgete con nosotros en el fascinante mundo de la termodinámica. En esta publicación, desglosaremos dos conceptos cruciales: la disponibilidad (exergía), que nos revela el verdadero potencial de la energía para realizar trabajo útil, y los procesos de transferencia de calor, esenciales para entender cómo la energía térmica se mueve y se aprovecha. Acompáñanos a descubrir las bases teóricas y las aplicaciones prácticas que rigen la eficiencia energética en nuestro día a día.

 Disponibilidad y Procesos que Involucran Transmisión de Calor

1. Disponibilidad en Termodinámica

La disponibilidad (también llamada energía disponible o exergía) representa la máxima cantidad de trabajo útil que puede obtenerse de un sistema cuando se lleva a un estado de equilibrio con el ambiente.

Fórmula general de disponibilidad:

Exergía= (U−U0​)+P0​(V−V0​)-T0(S-S0)

Donde:

U: Energía interna del sistema

V: Volumen del sistema

S: Entropía del sistema

T0: Temperatura del entorno

P0:Presión del entorno

Subíndice 0: Condiciones del ambiente

Ejercicio resuelto:

Problema:

Un sistema tiene los siguientes datos:

U=150kJ,  𝑉=0.08m3, 𝑆=0.6kJ/K

Condiciones ambientales: 

𝑇0=300K ,  𝑃0=100kPa  

𝑈0=100kJ,𝑉0=0.06m3,𝑆0=0.4kJ/K

Solución:

Exergía=(150−100)+100(0.08−0.06)−300(0.6−0.4)

Exergía=50+2−60=−8kJ

Resultado: El sistema ha perdido 8 kJ de energía útil respecto al entorno.

Ejercicio propuesto:

Un sistema contiene:

• $U=250\text{kJ}$, $V=0.1{\text{m}}^3$, $S=1.2\text{kJ/K}$

• $U_0=200\text{kJ}$, $V_0=0.08{\text{m}}^3$, $S_0=1.0\text{kJ/K}$

• $T_0=298\text{K}$, $P_0=101.3\text{kPa}$

2. Procesos que Involucran Transmisión de Calor

Los procesos donde hay transferencia de calor están presentes en casi todas las máquinas térmicas (calderas, motores, intercambiadores). Pueden clasificarse en:

• Conducción: Energía térmica fluye por un sólido (Ley de Fourier)

• Convección: Flujo de calor entre un sólido y un fluido en movimiento

• Radiación: Emisión de energía térmica en forma de ondas electromagnéticas

Fórmulas principales:

a) Ley de Fourier (conducción unidimensional):

q=−k⋅A⋅dxdT​

• $q$: flujo de calor (W)

• $k$: conductividad térmica (W/m·K)

• $A$: área (m²)

• dxdT​: gradiente de temperatura

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b) Ley de enfriamiento de Newton (convección):

$$q = h \cdot A \cdot (T_s - T_{\infty})$$

• $h$: coeficiente de convección (W/m²·K)

• $T_s$: temperatura de la superficie

• $T_{\infty}$: temperatura del fluido

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c) Ley de Stefan-Boltzmann (radiación):

$$q=ϵ\cdot \sigma \cdot A\cdot (T^4-T_0^4)$$

• $\epsilon$: emisividad

• $\sigma$: constante de Stefan-Boltzmann (5.67×10⁻⁸ W/m²·K⁴)

• DT/DX: temperaturas absolutas

  Ejercicio Resuelto – Transmisión de Calor por Convección

  Enunciado:

  Una placa metálica vertical está expuesta al aire a temperatura ambiente de 20 °C. La superficie de la placa está a 80 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección entre el aire y la superficie es de 25 W/m²·K, y el área de la placa es de 2 m².

  ¿Cuál es la cantidad de calor transferida por convección en 10 minutos?

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  Datos:

  • Temperatura del aire: T∞​=20∘C

  • Temperatura de la superficie:Ts​=80∘C

  • Coeficiente convectivo: h=25W/m2⋅K

  • Área: $2$

  • Tiempo: $t=600\text{s}$ (10 minutos)

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  Fórmula:

  Q=h⋅A⋅(Ts​−T∞​)⋅t

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  Paso 1: Fórmula

  La transferencia de calor por convección se calcula con:

  $$Q=h\cdot A\cdot (T_s-T_{\mathrm{\infty }})\cdot t$$
  

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  Paso 2: Sustituir los valores

  $$Q = 25$$
  $$Q = 25$$
  $$Q=25\cdot 2=50\Rightarrow 50\cdot 60=3000\Rightarrow 3000\cdot 600=1800000\text{J}$$
  

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   Resultado Final:

  $$Q=1800000\text{J}=1800\text{kJ}$$

Ejercicio Propuesto – Transmisión de Calor por Convección

Enunciado:

Una placa metálica vertical está expuesta al aire a temperatura ambiente de 20 °C. La superficie de la placa está a 80 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección entre el aire y la superficie es de 25 W/m²·K, y el área de la placa es de 2 m².

¿Cuál es la cantidad de calor transferida por convección en 10 minutos?

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Datos:

• Temperatura del aire: $T_{\mathrm{\infty }}={30}^{\circ }\text{C}$

• Temperatura de la superficie: $T_s={90}^{\circ }\text{C}$

• Coeficiente convectivo: $h=40{\text{W/m}}^2\cdot \text{K}$

• Área: A=2m2

• Tiempo:$t=600\text{s}$ (10 minutos)

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Fórmula:

$$Q=h\cdot A\cdot (T_s-T_{\mathrm{\infty }})\cdot t$$

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Aplicación (dejada sin resolver):

$$Q=40\cdot 2\cdot (90-30)\cdot 600$$