Francisco José Entrena González - Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y acs en los edificios. ENAC0108

La conductividad térmica (k)es la magnitud que permite cuantificar la facilidad que presenta un sistema para transmitir el calor. Gracias a esta magnitud diferenciamos entre aislantes térmicos y materiales conductores de calor. La conductividad térmica se mide en W/(K·m).

Fourier estableció mediante una serie de experimentos termodinámicos que la temperatura se desplaza a lo largo de un sólido de forma gradual, disminuyendo la temperatura conforme se distancia del foco generador de calor. La ecuación que rige el mecanismo de transmisión de calor por conducción recibe el nombre de Ley de Fouriery se enuncia como:

Donde dT es la diferencia de temperatura entre dos puntos y dx la distancia entre esos puntos.

Ejemplo

Vamos a calcular el área necesaria para calentar el agua del interior de un depósito mediante una tubería, sabiendo que el espesor de la tubería de cobre es de dx = 1 mm, la conductividad térmica es k = 380 W/(K·m), la diferencia de temperatura dT = -25 K, y el calor aportado es Q = 475 W.

SOLUCIÓN

A partir de los datos aportados y teniendo en cuenta que se produce una transferencia de calor mediante conducción, aplicamos la ecuación:

Sustituyendo, nos queda:

Despejando, obtenemos:

Actividades

6. Elabore un listado de las situaciones cotidianas en las que se produce la transmisión del calor por conducción.

Aplicación práctica

Tras haber estudiado los mecanismos de transferencia de calor, se toma un descanso y, mientras cocina, se le ocurre la idea de calcular el mecanismo de transferencia de calor que se produce entre la vitrocerámica y la sartén. Calcule la temperatura a la que se están cocinando los alimentos a partir de los datos aportados.

Temperatura vitrocerámica = 105 °C.

Espesor de la sartén = 1 cm.

Radio de la sartén = 10 cm.

k = 50 W / (K·m).

Q = 610 W.

SOLUCIÓN

Al tratarse de una transferencia de calor por conducción, aplicamos la Ley de Fourier:

Sustituyendo, queda:

Despejando la temperatura, queda:

Por lo tanto, en este caso la comida se está cocinando a una temperatura de 101 °C.

No solo debe tenerse en cuenta la termodinámica para el cálculo de instalaciones o para el diseño de las mismas, sino que la termodinámica está presente en nuestra vida cotidiana. Entendiendo el funcionamiento de las escalas termométricas, somos capaces de convertir medidas térmicas entre las distintas escalas existentes.

Conocer los mecanismos de transferencia de calor y saber calcular el calor transferido por los distintos procesos, nos permite comparar y evaluar la eficiencia de dos sistemas de calefacción, eligiendo el sistema que más nos interese en cada momento.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Indique la respuesta correcta.

1 Una tubería no puede constituir un sistema termodinámico.

2 La termodinámica es una rama de la astrología que se basa en el estudio del intercambio de materia y energía, los elementos que conforman el universo.

3 El sistema termodinámico se encuentra aislado del entorno mediante unos límites definidos.

2. ¿Qué clases de sistemas podemos distinguir en termodinámica? Defínalos.

3. ¿Cómo se denomina la situación termodinámica en la que se encuentra un sistema en el momento de estudio?

1 Base.

2 Estado.

3 Proceso.

4 Situación.

4. Las propiedades termodinámicas pueden ser de carácter intensivas y extensivas.

Clasifique las siguientes propiedades.

1 Densidad.

2 Volumen.

3 Temperatura.

4 Presión.

5. ¿A cuántos julios equivale una caloría? ¿Y una atmósfera de presión a cuántos milímetros de mercurio?

6. Complete.

El _______________ es energía que se desplaza de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Cuando dos _______________ están en contacto el _______________ de ambos tiende a igualarse dando como resultado un _______________.

7. Nombre, al menos, tres escalas termométricas.

8. Explique por qué no es posible encontrar valores negativos en la Escala térmica del SI.

9. ¿Qué fórmula debemos aplicar si queremos convertir la temperatura de la escala Kelvin a la escala Celsius? ¿Y de la escala Fahrenheit a la escala Celsius?

10. ¿Cuáles son los mecanismos de transmisión de calor?

11. ¿Gracias a qué principio enunciado por Ralph H. Fowler fue posible la construcción de los primeros termómetros?

1 El principio de igualdad térmica y equilibrio.

2 El principio de equilibrio entre masas en distintos estados.

3 El principio cero de la termodinámica.

4 El principio de equilibrio entre energías internas de dos sistemas en contacto mediante el mecanismo de transferencia de conducción.

12. ¿Qué mecanismo nos permite transferir el calor de un cuerpo a otro, sin la necesidad de existir un contacto directo entre ambos?

1 Transferencia por conducción.