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La transferencia de calor es un fenómeno  en las ciencias físicas, donde el calor se desplaza de regiones de mayor a menor temperatura, adoptando formas como conducción, convección y radiación. En geometrías específicas, como placas, cilindros o esferas, estos mecanismos pueden comportarse de manera diferente, influenciados por las dimensiones y propiedades del material. En ingeniería, la comprensión de cómo el calor se transfiere en diversas geometrías es muy importante para el diseño de sistemas de refrigeración, maquinaria y estructuras eficientes. En biotecnología, esto es la base para el desarrollo de equipos como biorreactores y dispositivos médicos, donde la estabilidad térmica puede afectar directamente la viabilidad de cultivos celulares o reacciones químicas.

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En un laboratorio de biotecnología, se está llevando a cabo un experimento que involucra dos placas paralelas verticales de dimensiones L×HL×H colocadas a diferente temperatura. La placa caliente tiene una temperatura constante de TH y la placa fría tiene una temperatura constante de TC, con TH>TC. Se supone que se establece un flujo de calor por convección natural entre las dos placas.

Datos:

•               Temperatura de la placa caliente (TH): 100°C.

•               Temperatura de la placa fría (TC): 25°C.

•               Distancia entre las placas (H): 0.02 metros.

•               Longitud de las placas (L): 0.1 metros.

Propiedades del aire: Conductividad térmica (kaire): 0.026 W/(m·°C).

Viscosidad cinemática (ν): 15.11×10−615.11×10−6 m²/s.

Prandtl número (Pr): 0.71.

Calcule la diferencia de temperatura (ΔT) entre las dos placas.

Determine el perfil de temperatura (T(x)) en función de la distancia x entre las placas. Utilice la ecuación de la transferencia de calor por convección natural.

Calcule el flujo de calor (q) entre las placas y exprese la ecuación que lo describe.

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Supongamos que se desea reducir el flujo de calor entre las placas, ¿qué acción podría tomar el laboratorio para lograrlo?.

Para reducir el flujo de calor, el laboratorio podría aumentar la distancia entre las placas, mejorar la aislación entre las mismas o usar un material con menor conductividad térmica en el espacio entre las placas.

¿Qué diferencia entre modelos matemáticos y procesos de cálculo encuentras respecto a la convección forzada?

En la convección natural, el movimiento del fluido es causado por diferencias de densidad debidas a variaciones de temperatura.

En la convección forzada, el flujo es impulsado por medios externos, como un ventilador o bomba.

¿Qué es un termofluido y que propiedades los caracterizan?

Un termofluido es un fluido utilizado en transferencia de calor que se caracteriza por su capacidad para transportar calor. Las propiedades importantes incluyen la conductividad térmica, capacidad calorífica, viscosidad y número de Prandtl.

¿Cuáles son las principales características de la transferencia de calor en el flujo turbulento?.

En flujo turbulento, la transferencia de calor se ve aumentada debido a las mezclas y torbellinos que facilitan el transporte de energía. Es más eficiente comparado con el flujo laminar debido a estas mezclas intensas.

Describe de forma simple lo que representa un rollo de convección.

Un rollo de convección es un patrón de circulación en un fluido que ocurre cuando el fluido caliente sube y el frío desciende, formando un ciclo continuo que puede verse como rollos o células de convección.

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Elabora un esquema en formato libre del proceso de transferencia de calor por radiación. Incluye en el esquema los conceptos de radiación del cuerpo negro y Ley de Stefan – Boltzman 

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Elabora un esquema en formato libre del proceso de transferencia de calor por radiación. Incluye en el esquema los conceptos de radiación del cuerpo negro y Ley de Stefan – Boltzman 

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Redactar donde se explique los aprendizajes más importantes durante la actividad. 

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Redactar donde se explique los aprendizajes más importantes durante la actividad. 

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La transferencia de calor es un fenómeno que se presenta en múltiples aplicaciones de ingeniería y biotecnología, que abarca mecanismos como conducción, convección y radiación. La convección natural es de particular importancia, pues ocurre sin intervención mecánica, aprovechando las diferencias de densidad causadas por cambios de temperatura. Comprender y cuantificar este proceso es muy necesario para diseñar sistemas eficientes en climatización, electrónica y biotecnología, donde la estabilidad térmica es crítica. Además, la Ley de Stefan-Boltzmann y la emisión de cuerpos negros son conceptos mucho muy importantes en la radiación que ayudan a comprender cómo los objetos emiten energía térmica, necesario para aplicaciones que van desde sensores térmicos, aplicaciones en bioingeniería, hasta la astrofísica.