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Un estudio experimental sobre la variación de la conductividad térmica de un material con respecto a la temperatura. Se describe el proceso de medición utilizando un equipo de banco modular para estudio de conductividad térmica y convección natural, se analizan los datos obtenidos y se calculan los valores de conductividad térmica en diferentes puntos de la muestra. El documento también explora los conceptos fundamentales de la conductividad térmica y su importancia en diversas aplicaciones.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Introducción: La conductividad térmica es una propiedad física fundamental que describe la capacidad de un material para conducir el calor. En esta introducción, explicaremos cómo varía la conductividad térmica de los materiales en función de los cambios de temperatura. Esta puede deberse a diversos factores como la temperatura, la composición química, la estructura cristalina, entre otros. La relación entre la conductividad térmica y la temperatura es de gran importancia en numerosos campos de la ciencia y la ingeniería, desde la fabricación de materiales hasta la climatización de edificios y la exploración espacial. Comprender cómo cambia la conductividad térmica con la temperatura es esencial para optimizar el diseño de sistemas de transferencia de calor, mejorar la eficiencia energética y predecir el comportamiento térmico de diversos materiales y estructuras en diferentes condiciones ambientales. También analizaremos los conceptos fundamentales detrás de la variación de la conductividad térmica con respecto a la temperatura, determinaremos el perfil de comportamiento de la conductividad térmica del equipo de Banco Modular para Estudio de Conductividad Térmica y Convección Natural y discutiremos la importancia de esta relación en aplicaciones prácticas. Justificativa ❖ A temperaturas bajas, la conductividad térmica aumenta con la temperatura debido a la mayor dispersión de electrones libres, que son los principales portadores de calor en los metales. ❖ A temperaturas más altas, la resistencia eléctrica del metal aumenta debido a la mayor vibración de los átomos, lo que dificulta el movimiento de los electrones y, por lo tanto, reduce la conductividad térmica. ❖ La variación de la conductividad térmica con la temperatura es un fenómeno complejo que depende del tipo de material y del rango de temperatura. ❖ Es importante tener en cuenta la dependencia de la temperatura al seleccionar materiales para aplicaciones específicas de transferencia de calor. Ejemplos de aplicaciones:
térmica indica que el material es un buen conductor del calor y un valor bajo indica que es un mal conductor o que es un aislante. Se puede calentar una capa de material de espesor y área conocidos, desde uno de sus lados, por medio de un calentador de resistencia eléctrica de potencia conocida. Si las superficies exteriores del calentador están bien aisladas, todo el calor generado por la resistencia se transferirá a través del material cuya conductividad se va a determinar. Las conductividades térmicas de los gases varían en un factor de 10ª con respecto a las de los metales puros como el cobre. Según la ecuación de Fourier, la conductividad térmica se define: De acuerdo a esta expresión, se observa que la conductividad térmica cambia con la temperatura, comportamiento que se observa en la mayoría de las sustancias. Si se hace referencias a ciertos materiales como por ejemplo, el cobre y el aluminio, se encontrará que estos metales tienen características opuestas en el comportamiento de la conductividad térmica, ya que el aluminio esta propiedad aumenta con la temperatura contrario a lo que ocurre con el cobre. Fenómenos de la conducción La conducción térmica es uno de los tres mecanismos principales de transferencia de calor, junto con la convección y radiación. Se produce cuando el calor se transfiere a través de un material o entre materiales de un material o entre materiales que están en contacto directo, sin que exista movimiento macroscópico de las partículas del material.
Flujo de calor El flujo de calor es la medida de la transferencia de energía,que es causado por una diferencia de temperatura y conduce al equilibrio de temperatura entre las sustancias. En este contexto, la energía se llama calor. El flujo de calor se puede determinar utilizando dos mediciones de temperatura de superficie en cada lado del material usando sensores de temperatura si también se conocen k y x del material. Amperaje Una corriente eléctrica consiste en un flujo de electrones a través de un material conductor. Dicha corriente se caracteriza por varias propiedades y parámetros, como la intensidad, la potencia o la tensión. La intensidad de una corriente eléctrica es la cantidad de electrones que fluyen por unidad de tiempo a través del material, y en el Sistema Internacional de Unidades se mide en amperios, cuyo símbolo es A. Un amperio es igual a un culombio por segundo, esto es, un flujo de 6.241 x 1018 electrones por segundo Voltaje El voltaje se define como la magnitud encargada de establecer la diferenciación de potencial eléctrico que existe entre dos puntos. Es por esto que también se le conoce como tensión eléctrica, o diferencia de potencial eléctrica. El voltaje consiste en el trabajo que ejerce una unidad de carga eléctrica en una partícula de un campo eléctrico determinado, de forma que dicha unidad sea capaz de moverse a través de dos puntos. Algo más importante sobre el voltaje es que, cuando dos puntos de diferente potencial eléctrico se presentan con un conductor, se efectuará de manera natural un flujo de electrones, popularmente conocido como corriente eléctrica. Dicha corriente, es la encargada de llevar una parte de la carga eléctrica proveniente del punto de mayor potencial, hasta el punto de potencial más bajo. Diferencia de temperatura La diferencia de temperatura entre dos puntos de medición, los cuales se diferencia por tiempo y posición. Lo usamos por ejemplo, para medir la eficiencia de un
intercambiador de calor. La diferencia de temperatura se calcula restando una temperatura de la otra. Esta medida es importante en diversos campos, como la meteorología, la física, y la ingeniería, para comprender y calcular los cambios de calor, la transferencia de energía, y para diseñar sistemas de climatización, refrigeración, y calefacción, entre otros. Axial Conducción axial: Se produce en sólidos como varillas o alambres cuando existe una diferencia de temperatura entre sus extremos. El calor se transfiere a través del material a lo largo de su eje longitudinal. Convección axial: Se observa en fluidos (líquidos o gases) que se mueven a través de un conducto o canal. El calor se transfiere por el movimiento del fluido en la dirección axial. Radiación axial: Es menos común, pero puede ocurrir en algunos casos, como la transferencia de calor entre dos placas paralelas. El calor se transfiere por emisión y absorción de radiación electromagnética en la dirección axial. Radial La transferencia de calor radial se refiere al flujo de calor hacia afuera desde un punto central en un objeto cilíndrico o esférico. En contraste con la transferencia de calor axial, que ocurre a lo largo de un eje específico, la transferencia de calor radial se mueve perpendicular al radio del objeto. Equipo necesario para el desarrollo de la práctica Equipo de Banco Modular para Estudio de Conductividad Térmica y Convección Natural. Procedimiento experimental
q ∗ L A Δ T k= Conductividad térmica q= Flujo de calor A= Área T= Temperatura L= Longitud Resultado: Datos Obtenidos Fórmulas T=42°C Convertido en m D= 25.35mm 0.02535m LTotal=50 cm 0.5m L 1 =13.5 cm 0.135m L2=16.5 cm 0.165m L3=19.5cm 0.195m L4=22.5cm 0.225m L5=25.5cm 0.255m L6=28.5cm 0.285m L7=31.5cm 0.315m L8=34cm 0.34m L9=37 cm 0.37m L10=40 cm 0.40m L11=43cm 0.43m L12=46 cm 0.46m Q = 1 / 12 ( We ) A = 1 / 4 π D 2 K = q ∗ L A Δ T Cálculos Valores propuestos Para We= Q= 1/12 (4)=0. K = 0.333 W (0.135 m ) 0.00050 m 2 ( 42 ° C )
Watts m ∗ C Para We= 6 We= 554.085 W Q= 1/12 (554.085)=46.173 W k1=347.9067 W/m°C k2=390.665 W/m°C k3=453.544 W/m°C k4=466.432 W/m°C
Q= 1/12 (6)=0. K = 0.5 W ( 0.135 m ) 0.00050 m 2 ( 42 ° C )
Watts m ∗ C k5=559.314 W/m°C k6=592.276 W/m°C k7=655.823 W/m°C k8=699.532 W/m°C k9=753.034 W/m°C k10=786.907 W/m°C k11=816.048 W/m°C k12=845.703W/m°C Calculo de k en cada punto Valores propuestos para alcanzar k k en el punto 1 k= 347.9067 W/m°C We =554.0.85 W Q=46.173 W k en el punto 2 k= 346. We =460.95W Q=38.4125 W k en el punto 3 k= 346.053 W/m°C We =405W Q=33.75 W k en el punto 4 k= 346.603 W/m°C We =355W Q=29.583 W k en el punto 5 k= 346.775 W/m°C We = 343 W Q=28.5833 W k en el punto 6 k= 346.36 W/m°C We = 237 W Q=19.75 W k en el punto 7 k= 346.35 W/m°C We = 224 W Q=18.66 W k en el punto 8 k= 346.05 W/m°C We =197 W Q=16.4166 W k en el punto 9 k= 346.30 W/m°C We =171 W Q=14.25 W
