1. ¿Cuál es la fuerza motriz de la transferencia de calor?
La fuerza motriz de la transferencia de calor es la diferencia de temperatura entre dos cuerpos, regiones o sistemas. Este gradiente térmico impulsa el flujo de calor desde la zona de mayor temperatura hacia la de menor temperatura, siguiendo la segunda ley de la termodinámica.
2. Escribe los tres tipos de transferencia de calor y descríbelos con una frase.
- Conducción: Transferencia de calor a través de un material sólido por contacto directo entre moléculas.
- Convección: Transferencia de calor mediante el movimiento de un fluido (líquido o gas).
- Radiación: Transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material.
3. ¿Cómo se calcula la resistencia total de una pared compuesta de tres capas en paralelo? ¿Y de una pared compuesta de tres capas en serie?
Pared con capas en paralelo:
La resistencia total (Rtotal) se calcula como la inversa de la suma de las inversas de las resistencias individuales:
1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
Pared con capas en serie:
La resistencia total (Rtotal) es la suma directa de las resistencias individuales:
Rtotal = R1 + R2 + R3
4. ¿Cuál es la ley básica de la conducción térmica (Ley de Fourier)? Identifica cada parámetro de la ecuación y escribe también sus unidades. Describe la relación que establece la ley en una frase.
Ley de Fourier:
q = -k * A * (dT/dx)
Parámetros y unidades:
- q: Flujo de calor (W, vatios).
- k: Conductividad térmica del material (W/m·K).
- A: Área de la sección transversal al flujo de calor (m²).
- dT/dx: Gradiente de temperatura, cambio de temperatura por unidad de distancia (K/m).
Relación:
La Ley de Fourier establece que el flujo de calor es proporcional al gradiente de temperatura y a las propiedades del material, fluyendo siempre en la dirección opuesta al incremento de temperatura.
5. ¿Qué es la conducción térmica? ¿Cómo funciona? ¿Dónde se puede dar?
La conducción térmica es el proceso de transferencia de calor a través de un material debido al choque y vibración de moléculas o electrones libres, sin movimiento neto del material.
El calor fluye desde las zonas de mayor temperatura hacia las de menor temperatura, siguiendo el gradiente térmico. Esto ocurre mediante la interacción directa entre partículas adyacentes.
Se da en sólidos, líquidos y gases, pero es más eficiente en sólidos, especialmente en metales, debido a la alta movilidad de los electrones libres. Por ejemplo: una cuchara metálica calentándose al contacto con una taza de café caliente.
6. ¿Cuál es la ley básica de la convección térmica (Ley de Newton)? Identifica cada parámetro de la ecuación y escribe también sus unidades. Describe la relación que establece la ley en una frase.
Ley de Newton de la convección:
Q = h * A * (Ts - Tinf)
Parámetros y unidades:
- Q: Flujo de calor (W).
- h: Coeficiente de convección (W/m²·K).
- A: Área de la superficie de intercambio (m²).
- (Ts – Tinf): Diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido (K).
Relación:
La ley indica que la transferencia de calor por convección es proporcional al área, al coeficiente de convección y a la diferencia de temperatura.
7. ¿Qué tipos de convección hay? ¿Cómo funcionan?
Existen dos tipos de convección: la natural, que ocurre cuando el movimiento del fluido se genera por diferencias de densidad debido a gradientes de temperatura (por ejemplo, el aire caliente sube y el frío baja en una habitación); y la forzada, que se produce cuando el fluido es impulsado por medios externos como ventiladores o bombas (como en un aire acondicionado). En ambos casos, el calor se transfiere entre una superficie y el fluido circundante gracias al movimiento de las partículas del fluido.
8. ¿Qué es la «h» en transferencia de calor? ¿Qué unidad tiene por defecto?
La «h» en transferencia de calor es el coeficiente de convección térmica, que representa la capacidad de un fluido para transferir calor entre su superficie y el entorno. Su unidad por defecto es W/m²·K (vatios por metro cuadrado por kelvin).
9. ¿Cuál es la ley básica de la radiación térmica (Ley de Stefan-Boltzmann)? Identifica cada parámetro de la ecuación y escribe también sus unidades. Describe la relación que establece la ley en una frase.
Ley de Stefan-Boltzmann:
q = ε * σ * A * T4
Parámetros y unidades:
- q: Potencia radiada (W).
- ε: Emisividad del material (adimensional, valor entre 0 y 1).
- σ: Constante de Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W/(m²·K4)).
- A: Área de la superficie emisora (m²).
- T: Temperatura absoluta de la superficie (K).
Relación:
La ley establece que la energía radiada por un cuerpo es proporcional a su área, a su emisividad y a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
10. ¿Qué es un cuerpo negro? ¿Y un cuerpo gris?
Un cuerpo negro es un objeto ideal que absorbe toda la radiación electromagnética incidente, sin reflejar ni transmitir nada, y es el emisor más eficiente posible. Un cuerpo gris es un objeto real que no absorbe ni emite toda la radiación, pero lo hace de manera proporcional a la de un cuerpo negro, con una emisividad constante menor que 1.
11. ¿Qué es un intercambiador de calor?
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir energía térmica entre dos fluidos a diferentes temperaturas, sin que estos se mezclen. Su objetivo es calentar, enfriar o recuperar calor de manera eficiente en procesos industriales o sistemas térmicos.
12. Dibuja un intercambiador de calor de tipo tubo y carcasa. ¿Cómo funciona? ¿Cuáles son sus ventajas?
Un intercambiador de calor de tipo tubo y carcasa funciona haciendo circular un fluido caliente a través de un conjunto de tubos y un fluido frío alrededor de los tubos dentro de una carcasa. Este diseño permite la transferencia de calor entre ambos fluidos sin que se mezclen.
Ventajas:
- Alta eficiencia térmica.
13. Dibuja un intercambiador de tipo tubería doble y dibuja un gráfico de la temperatura en función de la longitud del intercambiador para un flujo contracorriente.
Un intercambiador de calor de tubería doble consta de dos tubos concéntricos: el fluido caliente fluye por el tubo interior, mientras que el fluido frío circula en dirección opuesta por el espacio anular entre los dos tubos. En un flujo contracorriente, la temperatura del fluido caliente disminuye a lo largo de la longitud del intercambiador, mientras que la del fluido frío aumenta. Este diseño permite una transferencia de calor eficiente, ya que mantiene una diferencia de temperatura más uniforme entre los fluidos a lo largo del intercambiador.
14. ¿Qué es un intercambiador de calor compacto? Dibuja uno.
Un intercambiador de calor compacto es un dispositivo diseñado para maximizar la transferencia de calor utilizando una superficie elevada en un volumen reducido. Generalmente, emplea configuraciones como placas o aletas para aumentar el área de contacto térmico entre fluidos, siendo ideal en aplicaciones donde el espacio es limitado. (Nota: La representación gráfica de este tipo de intercambiador no puede ser generada en este formato.)
15. ¿Qué es una máquina de fluidos?
Una máquina de fluidos es un dispositivo diseñado para intercambiar energía con un fluido, ya sea transfiriéndole energía (como en bombas o compresores) o extrayéndola (como en turbinas). Se utilizan para transformar energía mecánica en energía del fluido o viceversa, dependiendo de su función en el sistema.
16. ¿Qué es una turbomáquina y una máquina volumétrica? ¿Cuál es la diferencia entre su funcionamiento?
Una turbomáquina es una máquina de fluidos donde la transferencia de energía se realiza de forma continua mediante el intercambio dinámico entre el fluido y los álabes en movimiento (como turbinas y compresores). Una máquina volumétrica transfiere energía al fluido o la extrae mediante cambios cíclicos de volumen en cámaras o pistones (como bombas de pistón y compresores alternativos). La principal diferencia es que las turbomáquinas operan de forma continua y con altas velocidades, mientras que las máquinas volumétricas trabajan en ciclos y a velocidades más bajas.
17. ¿Cuál es la parte más importante de una turbomáquina? ¿Cómo funciona?
La parte más importante de una turbomáquina es el rodete o rotor, donde se realiza la transferencia de energía entre el fluido y la máquina. En una turbina, el fluido cede energía al rodete al moverlo, convirtiendo la energía del fluido en energía mecánica. En un compresor o bomba, el rodete transfiere energía al fluido, aumentando su presión o velocidad.
18. ¿Qué es la turbina de vapor? ¿Cómo funciona? Dibuja su ciclo termodinámico.
Una turbina de vapor es una máquina térmica que convierte la energía térmica del vapor en energía mecánica mediante un rotor con álabes. Cómo funciona: El vapor de alta presión y temperatura generado en una caldera se expande al pasar por la turbina, impulsando las palas del rotor. Luego, el vapor pierde energía y se condensa en un condensador, cerrando el ciclo mediante una bomba que lo devuelve a la caldera. (Nota: La representación gráfica del ciclo termodinámico no puede ser generada en este formato.)
El diagrama muestra el ciclo termodinámico de Rankine en un gráfico temperatura-entropía (T-S), destacando las fases de calentamiento, expansión, enfriamiento y compresión.
19. ¿Qué es la turbina de gas? ¿Cómo funciona? Dibuja su ciclo termodinámico.
Una turbina de gas es una máquina térmica que convierte la energía química de un combustible en energía mecánica mediante la expansión de gases calientes. Cómo funciona: El aire es comprimido en un compresor, mezclado con combustible y quemado en la cámara de combustión, generando gases a alta presión y temperatura que se expanden en la turbina para producir trabajo mecánico. (Nota: La representación gráfica del ciclo termodinámico no puede ser generada en este formato.)
El diagrama muestra el ciclo termodinámico de Brayton en un gráfico temperatura-entropía (T-S), destacando las fases de compresión, combustión, expansión y escape.
20. ¿Qué es un turbocompresor? ¿Cómo funciona?
Un turbocompresor es un dispositivo que aprovecha la energía de los gases de escape de un motor para comprimir el aire de admisión y aumentar la cantidad de oxígeno en los cilindros, mejorando así la eficiencia y potencia del motor. Funciona mediante una turbina impulsada por los gases de escape, que está conectada a un compresor; este aspira y comprime el aire, enviándolo al motor para permitir una combustión más eficiente y potente al quemar más combustible con más aire.