Flujo de calor transmitido por fórmula de radiación. Este es el flujo de calor. B6 Transferencia de calor compleja y transferencia de calor

Para expresar el efecto general de la convección, usamos la ley de enfriamiento de Newton: = ℎ 6 3 - 47. Aquí, la tasa de transferencia de calor está relacionada con la diferencia de temperatura total entre la pared y el líquido, y el área superficial. Radiación A diferencia de los mecanismos de conducción y convección, cuando la energía se transfiere a través de un medio material, el calor también puede transferirse a zonas donde existe un vacío perfecto. En este caso, el mecanismo es la radiación electromagnética. La radiación puede exhibir propiedades onduladas o corpusculares.

Radiación electromagnética que se propaga como resultado de la diferencia de temperatura; Esto se llama radiación térmica. Las consideraciones termodinámicas muestran que un radiador ideal o cuerpo negro irradiará energía a una velocidad proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. La ecuación 5 se denomina ley de radiación térmica de Stefan-Boltzmann, y son aplicables solo a cuerpos negros. Pared plana estable de conducción. Consideremos primero una pared plana donde se puede hacer una aplicación directa de la ley de Fourier.

La figura 3 muestra un problema típico y su circuito analógico. Arroz. 3 Flujo de calor unidimensional a través de varios cortes cilíndricos y su contrapartida eléctrica. Los sistemas esféricos también pueden considerarse unidimensionales cuando la temperatura es solo una función del radio. aislamiento crítico. Tubo de vapor para ilustrar el radio crítico del aislamiento. Supongamos que tiene una tubería de vapor que desea aislar para evitar la pérdida de energía y proteger a las personas de quemaduras. Si el vapor no está sobrecalentado, algo de vapor se condensará en la tubería.

La temperatura superficial del aislamiento de la tubería es aproximadamente igual a la temperatura de saturación del vapor, ya que la resistencia térmica en la pared de la tubería tiende a ser pequeña y desaparece. Por lo tanto, la caída de temperatura a través de la pared de la tubería será muy pequeña. La siguiente figura muestra un análogo eléctrico construido para esta tarea simplificada. Radios interior y exterior del aislamiento. Para determinar el radio crítico de aislamiento, actuaremos de la siguiente manera. Conducción radial de calor a través de una esfera hueca Figura 1 Conducción de calor a través de una esfera hueca Creación de un balance de energía en un elemento de volumen diferencial para determinar la ecuación diferencial correspondiente.

La ecuación anterior es una ecuación diferencial adecuada para la distribución de temperatura en una esfera hueca. Las dos condiciones de contorno asociadas a este problema son las siguientes: cuanto más grueso es el aislante, menor es la tasa de transferencia de calor, ya que el área de la pared es constante, y cuando está aislada, aumenta la resistencia térmica sin aumentar la resistencia a la convección. Pero algo diferente sucede con cilindros y esferas cuando lo aíslas. El proceso de intercambio de energía en forma de calor entre diferentes cuerpos o entre varias partes mismo cuerpo a diferentes temperaturas.

La transferencia de calor siempre ocurre desde más cuerpo tibio a más frío, como resultado de la Segunda Ley de la Termodinámica. La transferencia de calor ocurre hasta que los cuerpos y sus alrededores alcanzan el equilibrio térmico. El calor se transfiere por convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden ocurrir simultáneamente, puede suceder que un mecanismo prevalezca sobre los otros dos.

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos, oscilantes y perpendiculares entre sí, que se propagan por el espacio, transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de la conducción y la convección, u otros tipos de ondas, como el sonido, que requieren un medio material para propagarse, la radiación electromagnética no depende de la materia para propagarse; de ​​hecho, la transferencia de energía por radiación es más eficiente en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección del flujo de energía se ve afectada por la presencia de materia.

Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar desde la Tierra. El vulcanismo, la actividad sísmica, los fenómenos de metamorfismo y la orogenia son algunos de los fenómenos que están controlados por el transporte y liberación de calor. De hecho, el balance de calor de la Tierra controla la actividad en la litosfera, en la astenosfera y también en el interior del planeta.

El calor que llega a la superficie terrestre tiene dos fuentes: el interior del planeta y el sol. Parte de esta energía se devuelve al espacio. Si se supone que el sol y la biosfera mantienen la temperatura media en la superficie del planeta con pequeñas fluctuaciones, entonces el calor que emana del interior del planeta determina la evolución geológica del planeta, es decir, controla la tectónica de placas, el magmatismo, la generación de cadenas montañosas, la evolución del interior del planeta, incluido su campo magnético.

eso propiedad fisica material y es una medida de la capacidad de un material para "conducir" el calor. Si consideramos el caso unidimensional, entonces se escribe la ley de Fourier. Si el flujo de calor y la temperatura del medio no cambian con el tiempo, el proceso se considera estacionario. Si no hay calor en el volumen de material, tendremos. Donde ρ es la densidad del material. Esta expresión le permite calcular la temperatura en puntos dentro de la región, sujeto a la imposición de condiciones de contorno.

Podemos aplicar esta ecuación para tratar de aprender algo sobre la distribución de la temperatura dentro del planeta, utilizando las superficies conocidas de flujo y temperatura como condiciones de contorno. La integración de esta ecuación de nuevo da. Esta última expresión se puede utilizar para determinar el cambio de temperatura con la profundidad. Consideremos, por tanto, el caso de la Tierra, suponiendo que el calor se transporta principalmente por conducción. La curva temperatura-profundidad se llama "geotérmica". Un análisis de la figura muestra que a profundidades superiores a 100 km, el manto debe tener una fusión significativa, mientras que a profundidades superiores a 150 km, todo el manto debe derretirse.

Estas “predicciones” no concuerdan con la información obtenida del estudio de propagación de ondas sísmicas, por lo que debemos concluir que el modelo de conductividad térmica no predice correctamente el perfil de temperatura en el manto. Aunque el modelo impulsor no predice la temperatura en el manto superior, representa un éxito significativo cuando se aplica a la parte exterior del planeta, es decir, la corteza terrestre, donde el calor interno proviene principalmente de la desintegración radiactiva y es transportado a la superficie, por conducción.

Volveremos a este problema cuando estudiemos el flujo de calor en los continentes. Considere una capa de líquido calentado en la parte inferior y enfriado en la parte superior. Cuando un líquido se calienta, su densidad disminuye debido a la expansión. En el caso que nos ocupa, la parte superior de la capa líquida será más fría y, por tanto, más densa que la inferior. Esta situación es gravitacionalmente inestable, lo que impide que el líquido líquido se enfríe, y cuanto más se calienta, más rápido se generan las corrientes de convección. El movimiento de un fluido es impulsado por fuerzas motrices.

Considere, por tanto, un elemento fluido rectangular, como se muestra en la figura. Las fuerzas que actúan sobre un elemento fluido son: las fuerzas debidas al gradiente de presión, la fuerza de gravedad y la fuerza de empuje. Para esto último, se debe tener en cuenta la densidad del líquido. La componente vertical de la fuerza resultante será entonces.

Aunque los isótopos radiactivos existen en pequeñas cantidades en la corteza terrestre y también son menos comunes en el manto, su descomposición natural produce una cantidad significativa de calor, como se puede ver en la tabla de la izquierda. Los elementos más importantes de este proceso son el uranio, el torio y el potasio; se puede observar que el aporte de uranio y torio es superior al de potasio.

La siguiente tabla presenta la concentración de elementos radiactivos y la generación térmica de algunas rocas. El granito es la piedra que libera más calor debido a la descomposición de los materiales radiactivos ya que tiene la mayor concentración de estos elementos. La medida del calor generado por la corteza terrestre en la actualidad puede utilizarse para calcular el calor generado en el pasado. Por otra parte, la concentración de elementos radiactivos puede utilizarse en la datación de rocas.

La tasa de decaimiento de un isótopo radiactivo viene dada por la fórmula. Aunque la tasa de generación de calor en la corteza terrestre es aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que la del manto, se debe tener en cuenta la tasa de producción del manto, ya que el volumen del manto es mucho mayor que el volumen de la corteza. Esta reacción se llevó a cabo en el laboratorio a temperaturas y presiones del orden de las de la interfase núcleo-manto.

La figura muestra la distribución del flujo de calor a lo largo de la Tierra. El calor perdido a través de la superficie del planeta se distribuye uniformemente. La siguiente tabla muestra las principales contribuciones: El 73% del calor se pierde a través de los océanos, que constituyen el 60% de la superficie terrestre. La mayor parte del calor se pierde durante la creación y el enfriamiento de la litosfera oceánica, cuando nuevo material parte de las crestas medias. La tectónica de placas está relacionada fundamentalmente con el enfriamiento de la Tierra. Por otra parte, parece que velocidad media la creación del fondo del océano está determinada por el equilibrio entre la tasa de generación de calor y la tasa general de pérdida del mismo alta temperatura sobre toda la superficie del planeta.

En los modelos de tectónica de placas, el ascenso de los materiales del manto se produce en las dorsales oceánicas. Estos materiales, cuando se enfrían, conducen a la formación de nueva corteza oceánica. Al alejarse de la zona ascendente, la nueva corteza se enfría hasta grandes profundidades, formando una placa rígida cada vez más gruesa.

La siguiente figura muestra los valores observados del flujo de calor en función de la edad de la litosfera oceánica, así como los valores calculados a partir del modelo teórico. Teniendo en cuenta lo dicho en el párrafo anterior, este gráfico puede interpretarse como una representación de los valores de flujo en función de la distancia a la cresta. Como puede verse, el flujo de calor cerca de las dorsales oceánicas tiene valores altos, decreciendo con la distancia desde la zona ascendente de los materiales del manto. Al comparar los valores observados con los valores calculados, se verifica que los flujos derivados de los modelos son más altos que los observados cerca de la cresta.