Laboratorio Operaciones Unitarias.

Indira Escobar Rios Juan Carlos Moreno Hernández Sandra Serrano Mariscal Vanessa Valderrábano Guzmán

ÍNDICE

No. DE PÁGINA

» OBJETIVOS…………………………………………. 2

» INTRODUCCIÓN…………………………………… 2-5

» EJEMPLOS DE APLICACIÓN…………………….. 5-7

» METODOLOGÍA……………………………………. 8

» RESULTADOS Y DISCUSIÓN……………………. 8-15

» CONCLUSIÓN………………………………………. 16

» BIBLIOGRAFÍA……………………………………... 16

» Objetivos

Objetivos Especificos.

Comprobación de la ley de Stefan‐Boltzmann.

Objetivos Generales.

Demostrar que la distribución de calor tiene lugar en la superficie plana. Analizar la distribución de calor para diferentes potencias de entrada.

» Introducción.

Al conjunto de radiación electromagnética emitida por un cuerpo, a temperatura superior al cero absoluto, se le denomina radiación térmica. Esto sucede tanto si se encuentra o no en equilibrio termodinámico.

Radiación.

El término radiación se refiere a la emisión continua de energía en forma de ondas electromagnéticas que se originan a nivel atómico. Todos los objetos emiten energía radiante en forma continua. A temperaturas bajas, la cantidad de emisión es pequeña, y la radiación es básicamente de longitudes de onda larga.

Un factor que se debe considerar al calcular la rapidez de transferencia de calor por radiación, es la naturaleza de las superficies expuestas, ya que objetos que son buenos emisores de radiación térmica, también resultan buenos absorbedores de radiación. Un objeto que absorbe toda la radiación incidente sobre su superficie se llama absorbedor ideal. Tal objeto también será un radiador ideal. En general las superficies más negras serán las que mejor absorban energía térmica. Un absorbedor ideal o un radiador ideal es conocido como “cuerpo negro” y son aquellos que absorben toda la radiación que llega a ellos sin reflejarla, de tal forma que sólo emiten la correspondiente a su temperatura.

Aunque tales cuerpos realmente no existen, el concepto resulta muy útil como un patrón para comparar las capacidades de varias superficies para absorber o emitir energía térmica. La absorbencia es una cantidad adimensional que tiene un valor numérico comprendido entre 0 y 1, dependiendo de la naturaleza de la superficie. Para un cuerpo negro, la absorbancia es igual a la unidad; para una superficie de plata bien pulida, se aproxima a cero.

El físico alemán Max Planck, descubrió la ley que gobierna la radiación de los cuerpos en equilibrio termodinámico. Según Planck, la intensidad de radiación para cada longitud de onda depende únicamente de la temperatura del cuerpo en cuestión. Los físicos designan este espectro con el nombre de Radiación de Cuerpo Negro. Planck llegó a este resultado introduciendo el concepto de quantum de energía (es decir que la energía en la naturaleza sólo se puede intercambiar en paquetes con cantidades discretas).

La ley de Planck justifica la distribución espectral de la radiación para un cuerpo negro. De la misma se deducen además dos corolarios:

La ley de Wien ( λmaxT = cte ), que establece la longitud de onda a la que se alcanza la máxima emisión, cuyo valor disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Y la Ley de Stefan‐Bolztmann, que establece que la densidad de energía emitida por unidad de tiempo (densidad de flujo) Jn es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura del cuerpo: Jn =σT4

Siendo σ = 5.67×10−8 Wm−2 K−4 la constante de Stefan‐Boltzmann.

Para un cuerpo no negro, el ritmo al cual se emite la energía radiante depende de la temperatura y de la naturaleza de su superficie, de forma que la densidad de energía emitida por unidad de tiempo viene dada por J =εσT4, siendo ε una característica de la superficie (que denominamos emisividad) relacionada con la naturaleza de la misma, su textura, etc.

El valor máximo de la emisividad es 1, y se corresponde con el cuerpo negro.

Por otra parte, cuando la radiación incide en una superficie, parte de la misma se refleja (Jr ), parte se transmite ( Jt ) y parte se absorbe ( Ja ). La relación entre cada una de estas tres densidades de flujo y la densidad de flujo incidente ( Ji ) se denomina reflectividad, transmisividad y absortividad, respectivamente.

Los trabajos de Stefan, Boltzmann y Wien, entre otros, sirvieron como base para que Lord Rayleigh y Sir James Jeans llegaran a una expresión desarrollada en términos de la física clásica para la radiación de cuerpo negro.

Ley de la inversa del cuadrado

La ley de la inversa del cuadrado nos dice que la intensidad de una fuente de luz puntual disminuye el cuadrado de la distancia que recorre con respecto a la fuente de luz. También dice que la superficie iluminada aumenta cuatro veces al doblar la distancia al foco.

Lo que viene a decir es que la luz pierde intensidad muy rápidamente según nos alejamos del foco emisor puesto que se reparte en mucha más superficie.

La razón por la que la potencia de la luz disminuye tan rápidamente no es porque 'se quede sin energía' o algo así, sino porque se expande y así una proporción más y más pequeña de luz golpea el objeto.

» Ejemplos de Aplicación.

Horno de combustión por radiación.

Un horno es una estructura que usa luz solar (radiación) concentrada para producir altas temperaturas, usualmente para usos industriales. Reflectores parabólicos o helióstatos concentran la luz (de insolación) sobre un punto focal. La temperatura en el punto focal puede alcanzar los 3.500 °C, y este calor puede ser usado para generar electricidad, fundir acero, fabricar combustible de hidrógeno o nanomateriales.

En este tipo de hornos no hay contacto entre el combustible y los gases de combustión generador por el quemador que calienta el crisol. Aunque exista una buena entrada de aire el sistema, en ese tipo de horno el combustible tiende a coquizar.

El sistema de transmisión de calor más habitual es por radiación y convección.

La transmisión de calor de la bóveda radiante del horno se completa con la convección producida por los gases de combustión generada por el quemador.

Esto tipos de horno son especialmente utieles en la fabricación de cerámica, destrucción de residuos industriales, fabricación de cemento, industria metalúrgica, industria alimentaria y otras.

» Metodología.

Equipo Ht-13 Armfield.

Ajuste el nivel de calentamiento.

Registre la temperatura frecuentemente hasta que ésta se estabilice, entonces reduzca el nivel de calentamiento y permita de nueva cuenta que la temperatura se estabilice.

Se realizó mediante las siguientes distancias (dadas por el instrumento en milímetros) 134, 300, 500, 700, 900, milímetros a un Voltaje de 5 volts.

» Resultados y discusión.

Cálculos:

Elaboración de gráfico “ln r vs ln x” calculando así Rc (R corregida)

Cálculo de qb, constante de emisividad, y factor visual, mediante la LEY DE STEFAN BOLTZMANN.

Gráfico Radio vs Distancia

» Datos Equipo Número 3

Cálculos a 5 volts:

Elaboración de gráfico “ln r vs ln x” calculando así Rc (R corregida)

Cálculo de qb, constante de emisividad, y factor visual, mediante la LEY DE STEFAN BOLTZMANN.

Gráfico Radio vs Distancia

CONCLUSIONES

Mediante los cálculos y gráficas presentados anteriormente podemos concluir que los registros que obtuvimos la pasada práctica fueron correctos, ya que es posible observar comparaciones precisas entre datos numéricos y además el factor de correlación R en las gráficas es aproximado a 1, por lo cual constantes a calcular fueron halladas de manera exitosa; siendo esto un objetivo de la práctica.

» Bibliografía.

Bird, R. B. Fenómenos de Transporte. Primera Edición México D.F: Reverte Ediciones, 2013.

• Yunus A. Çengel, Transferencia de Calor, 2ª edición, McGraw-Hill, México,

2004.

• Incropera, DeWitt, Bergman, Lavine, Fundamentals of Heat and Mass

Transfer, 6th edition, John Willey & Sons, 2007.

• F. Kreith y M. S. Bohn, Principios de Transferencia de Calor, 6ª edición,

Thomson, Madrid, 2002.

• J. P. Holman, Transferencia de Calor, 8ª edición, McGraw-Hill, Madrid,

1998.

• A. J. Chapman, Transmisión del Calor, 2ª edición, Ediciones Interciencia,

Madrid, 1968.

• J. R. Welty, C. E. Wicks, R. E. Wilson, Fundamentos de Transferencia de

Momento, Calor y Masa, 2ª edición, Editorial Limusa, México, 1999.

• E. Torrella, J. M. Pinazo, R. Cabello, Transmisión de Calor, 1ª edición,

Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia,

Valencia, 1999.