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ENFRIAMIENTO DE UN CUERPO
ESTUDIO DE LA LEY DE ENFRIAMIENTO DE UN CUERPO



El siguiente estudio de enfriamiento se basa en el calentamiento de un cuerpo aceite, el cual será monitoreado un tiempo de 1.5 horas, se utiliza un termopar tipo k el cual arrojara las mediciones de temperatura en el transcurso de tiempo antes mencionado, se realiza un grafico de temperatura v.s. tiempo, se analiza el comportamiento de la curva y se proponen soluciones para encontrar una constante “k” en la ley de enfriamiento de newton (1) la cual pueda describir mejor el comportamiento del experimento.

T-Tamb=Cekt                                                             (1)
Introducción:

El nombre de Isaac Newton (1641-1727) es ampliamente reconocido por sus numerosas contribuciones a la ciencia. Probablemente se interesó por la temperatura, el calor y el punto de fusión de los metales motivado por su responsabilidad de supervisar la calidad de la acuñación mientras fue funcionario de la casa de la moneda de Inglaterra. Newton observó que al calentar al rojo un bloque de hierro y tras retirarlo del fuego, el bloque se enfriaba más rápidamente cuando estaba muy caliente, y más lentamente cuando su temperatura se acercaba a la temperatura del aire. Sus observaciones dieron lugar a lo que hoy conocemos con el nombre de ley de enfriamiento de Newton. La ley de enfriamiento de Newton se escribe como

dT/dt = k (T- Tamb)                                                    (2)

donde la derivada de la temperatura respecto al tiempo dT/dt representa la rapidez del enfriamiento, T es la temperatura instantánea del cuerpo cuando esta caliente, k una constante que define el ritmo de enfriamiento y Tamb es la temperatura ambiente, que es la temperatura que alcanza el cuerpo luego de suficiente tiempo.


Nuestra tarea en este trabajo es estudiar si la mencionada ley se ajusta a la observación en el caso del enfriamiento de aceite de carro. Si el cuerpo se enfría a partir de una temperatura T0 hasta Tamb y la ley de enfriamiento de un cuerpo es válida, la ecuación:

T= Tamb + C ekt                                                     (3)

Deberá ser adecuada para representar la evolución de la temperatura, dado que esta ecuación es solución de (2).

Experimento.

El cuerpo de estudio es aceite de carro el cual se calienta en una parrilla eléctrica hasta 72°C ± 1°C, se retira de la parrilla y se coloca sobre una superficie que tiene baja capacidad de conducción, se monitorea el proceso de enfriamiento con un termopar tipo k, primero se toman mediciones cada 10 segundos durante los primeros 5 minutos, posteriormente mediciones cada 20 segundos durante 6 minutos, posteriormente mediciones cada 30 segundos durante 10 minutos, y finalmente cada 60 segundos durante 75 minutos, los intervalos de tiempo se van haciendo mas grandes debido a que el enfriamiento cada vez va siendo menor conforme tiende a Tamb.
La constante C se evalúa con las condiciones iniciales del experimento:

t=0;    Tamb = 22.6 °C

Substituyendo las condiciones iniciales en 3, tenemos que la ley de enfriamiento para este caso particular nos queda:

T= 22.6 + 49.6 ekt                                                     (4)



Resultados:

Primero se procede a graficar los datos obtenidos en el experimento 




En la figura 1 observamos como el aceite de carro se comienza a bajar su temperatura en forma exponencial, la estabilización de esta grafica tiende a la temperatura ambiente, sin embargo el tiempo para llegar a esta temperatura de una forma experimental seria muy tardado, para fines de comprobación, estos datos son suficientes.

Obtención de la constante k:


1 método: para cada tiempo, se tiene una temperatura, despejando k en la ecuación 3 obtenemos:

K= (ln(T-22.6)-3.904)/t                                             (5)

Para cada una de las mediciones que se realizan se obtienen k diferentes, estas k se substituyen en la ecuación 3 y se obtienen las temperaturas para cada instante dado para cada una de las k, posteriormente mediante la formula para el criterio de un mejor ajuste (6) se obtiene la cuantificación del error para cada k (ver anexo 2).

Sr= (Tmedida – T modelo) 2                                                (6)

Siendo la mejor k= -0.000287377 con un Sr = 107.409231, por lo que la ecuación queda de la siguiente manera:

T=22.6+49.6e-0.000295317*t                                                (7)

La comparación de graficas queda de la siguiente manera:



Calculando el error entre las dos graficas tenemos que nos arroja un valor de 0.5956 %


2 método: tomando condiciones de frontera al inicio y al final de los resultados experimentales y substituyendo en la ecuación 3 para obtener las constantes C y k.

Condiciones de frontera:
t= 0 seg.          To = 72.2 °C
t=5400 seg.     T = 34.4 °C

Resolviendo obtenemos:
T= 22.6 + 49.6 e-0.0002659*t                                                                 (8)

Tabulando los valores de T para la ecuación 6 (anexo3) y graficando contra los resultados experimentales obtenemos:



Calculando el error entre las dos graficas tenemos que nos arroja un valor de 2.1345 %


Conclusiones:

La constante k obtenida mediante el método 1 es la que mas se aproxima a los resultados experimentales (error del 0.5956 %), sin embargo, para poder llegar a este resultado, se realizo el análisis de cada una de las k para cada tiempo dado, por lo que el proceso fue muy largo y tedioso, por otra parte el segundo modelo aunque no fue tan exacto (error del 2.1345 %), llega a describir el comportamiento de nuestros datos experimentales muy bien, por lo que dependiendo de para que pueda llegar a ser la utilización del modelo, cualquiera de los 2 métodos pueden ajustarse a los datos experimentales.



ENFRIAMIENTO DE UN CILINDRO DE ALUMINIO POR CONVECCION NATURAL



RESUMEN


El presente documento se muestra la determinación del coeficiente de convección en conducción transitoria de calor unidimensional en un proceso de enfriamiento de un sólido que se expone al aire ambiente determinada por métodos  como los son por el método de la ley de enfriamiento de newton, y observar como es el comportamiento frente a cada uno de ellos calculando el error relativo y propagación del error para el método de enfriamiento de newton, sacando una conclusión del análisis del proceso de enfriamiento.

PALABRAS CLAVE: conducción transitoria de calor, coeficiente de convección, ley de enfriamiento de newton.



INTRODUCCIÓN

En algunos problemas de condiciones inestables el gradiente interno de temperatura en el cuerpo puede ser muy pequeño y de muy poco interés práctico sin embargo la temperatura en un lugar dado o la temperatura promedio del objeto pueden cambiar rápidamente con el tiempo.
El coeficiente de convección para una determinada situación puede evaluarse midiendo la tasa de transferencia de calor y la diferencia de temperatura, o midiendo el gradiente de temperatura adyacente a la superficie y la diferencia de temperatura.
La medición de un gradiente de temperatura a través de una capa de contorno requiere gran precisión y, por lo general, se logra en un laboratorio de investigación. Muchos manuales contienen valores tabulados de los coeficientes de transferencia de calor por convección para diferentes configuraciones


OBJETIVO GENERAL
Determinar el coeficiente de convección en el proceso de enfriamiento de un sólido que se expone al aire ambiente.


OBJETIVOS ESPECIFICOS


  • Identificar y medir las magnitudes físicas involucradas en el enfriamiento por convección natural
  • Determinación del biot para poder determinar el tipo de análisis para la resolución del sistema
  • Investigación de las propiedades del material del cilindro (cobre).
  • Determinar las dimensiones del cilindro.




MARCO TEÓRICO



Conducción transitoria de calor:
una condición fundamental de la conducción de calor en régimen estacionario es la existencia de un equilibro térmico que conserve las temperaturas estables en cada punto del cerramiento.

Ley de enfriamiento de newton:
Es la establece que tasa de transferencia de calor que abandona una superficie a una temperatura Ts para pasar a un fluido del entorno a temperatura Tf se establece por la ecuación: Convección = h A (Ts - Tf), donde el coeficiente de transferencia de calor h tiene las unidades de W/m2.KoBtu/s.in2.F. El coeficiente h no es una propiedad termodinámica. Es una correlación simplificada entre el estado del fluido y las condiciones de flujo, por lo cual generalmente se la conoce como una propiedad de flujo.

Numero de NUSSELT: Es el que representa el mejoramiento de la transferencia de calor a través de una capa del fluido como resultado de la convención en relación con la conducción a través de la misma capa. Entre mayor sea el número de NUSSELT más eficaz será la convección.

Convección:
Es la velocidad a la que se transfiere la energía térmica entre una superficie y un fluido en movimiento relativo debido a una diferencia de temperaturas.

Convección Natural: Este tipo de convección la podemos determinar si el movimiento de fluido es causado por las fuerzas de empuje  que son inducidas por las diferencias  de densidades  debidas  a la variación  de la temperatura en ese fluido.


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