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Lea el siguiente problema:

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:

o Conductividad térmica (kaire): 0.026 W/(m·°C).

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

o Prandtl número (Pr): 0.71.

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

Para calcular la diferencia de temperatura (ΔT) entre las dos placas, simplemente restamos la temperatura de la placa fría (TC​) de la temperatura de la placa caliente (𝑇𝐻​).

Dado que 𝑇𝐻=100∘C y 𝑇𝐶=25∘C, podemos calcular la diferencia de temperatura (Δ𝑇) de la siguiente manera:

Δ𝑇=𝑇𝐻−𝑇𝐶​

Δ𝑇=100∘C−25∘C

Δ𝑇=75∘C

Por lo tanto, la diferencia de temperatura entre las dos placas es de 75∘C.

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• 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.

1. Utilizamos la ecuación de transferencia de calor por convección natural:

𝑞=ℎ𝐴Δ𝑇

Donde:

𝑞 es la tasa de transferencia de calor (en vatios, W).

ℎ es el coeficiente de transferencia de calor por convección (en vatios por metro cuadrado por grado Celsius, W/m²·°C).

𝐴 es el área de transferencia de calor (en metros cuadrados, m²).

Δ𝑇 es la diferencia de temperatura entre las dos superficies (en grados Celsius, °C).

2. Para obtener la diferencia de temperatura Δ𝑇, utilizamos la diferencia de temperatura entre las placas:

ΔT=TH​−TC​

Donde:

𝑇𝐻​ es la temperatura de la placa caliente (en grados Celsius).

𝑇𝐶​ es la temperatura de la placa fría (en grados Celsius).

3. Sustituimos los valores proporcionados:

𝑇𝐻=100°𝐶

𝑇𝐶=25°𝐶

Entonces:

Δ𝑇=100°𝐶−25°𝐶=75°𝐶

4. Utilizamos la ecuación de transferencia de calor por convección natural para encontrar ℎΔ𝑇:

ℎΔ𝑇=𝑞/𝐴

​

5. Dado que las placas son paralelas, el área de transferencia de calor 𝐴 es 𝐴=𝐿×𝐻, donde 𝐿 es la longitud de las placas y 𝐻 es la distancia entre las placas.

6. Sustituimos los valores proporcionados:

𝐿=0.1 metros

𝐻=0.02 metros

Entonces:

𝐴=0.1×0.02=0.002 𝑚^2

7. Ahora, podemos calcular ℎΔ𝑇:

ℎΔ𝑇=𝑘Δ𝑇/𝐻​

Donde:

𝑘 es la conductividad térmica del aire (en vatios por metro por grado Celsius, W/m·°C).

Sustituimos los valores proporcionados:

𝑘=0.026 W/(m·°C)

Entonces:

ℎΔ𝑇=(0.026 W/(m*°C))×(75 °C) / 0.02m

ℎΔ𝑇=(1.95 W/m) / 0.02 m

​

ℎΔ𝑇=97.5 W/m

8. Finalmente, utilizamos la ecuación para el perfil de temperatura 𝑇(𝑥) en función de la distancia 𝑥 entre las placas:

𝑇(𝑥)=𝑇𝐻𝑒−ℎΔ𝑇/𝑘 * 𝑥

Donde:

𝑥 es la distancia entre las placas.

𝑇𝐻​ es la temperatura de la placa caliente (en grados Celsius).

𝑘 es la conductividad térmica del aire (en vatios por metro por grado Celsius, W/m·°C).

ℎΔ𝑇 es el coeficiente de transferencia de calor por convección multiplicado por la diferencia de temperatura.

Sustituimos los valores proporcionados:

𝑇𝐻=100°𝐶

𝑘=0.026 W/(m·°C)

ℎΔ𝑇=97.5 W/m

Entonces:

𝑇(𝑥)=100𝑒 − 97.5/0.026 * 𝑥

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

Para calcular el flujo de calor (𝑞) entre las placas utilizando la ecuación de la transferencia de calor por convección natural, podemos usar la Ley de enfriamiento de Newton, que establece que el flujo de calor (𝑞) es proporcional a la diferencia de temperatura (Δ𝑇) entre las superficies y la conductividad térmica del medio (K𝑎𝑖𝑟𝑒​):

𝑞=𝑘𝑎𝑖𝑟𝑒*𝐴*Δ𝑇

Donde:

𝑞 es el flujo de calor (en vatios, W).

𝑘𝑎𝑖𝑟𝑒​ es la conductividad térmica del aire (en 𝑊/𝑚*°𝐶).

𝐴 es el área de la superficie de transferencia de calor (en 𝑚^2).

Δ𝑇 es la diferencia de temperatura entre las dos superficies (en °C).

Ahora, sustituyendo los valores conocidos:

𝑘𝑎𝑖𝑟𝑒=0.026 𝑊/𝑚*°𝐶 (conductividad térmica del aire).

𝐴=𝐿*𝐻 (área de la superficie de transferencia de calor).

Δ𝑇=𝑇𝐻−𝑇𝐶​ (diferencia de temperatura entre las dos placas).

Entonces, el flujo de calor (𝑞) se puede expresar como:

𝑞=0.026*(0.1*0.02)*(100−25)

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

Si se desea reducir el flujo de calor entre las placas, el laboratorio podría tomar varias acciones para lograrlo. Algunas de estas acciones podrían incluir:

1. Aumentar la distancia entre las placas (H):

Al aumentar la distancia entre las placas, se incrementa la resistencia térmica entre ellas, lo que disminuye el flujo de calor a través del espacio de separación.

2. Utilizar materiales aislantes:

Se podrían colocar materiales aislantes de baja conductividad térmica entre las placas para reducir la transferencia de calor. Estos materiales pueden incluir espumas aislantes, fibra de vidrio u otros materiales con propiedades aislantes.

3. Modificar las propiedades del aire:

Se podría modificar el ambiente entre las placas para reducir la transferencia de calor. Por ejemplo, se podría introducir un gas de baja conductividad térmica o se podrían cambiar las condiciones de presión y temperatura para afectar la conductividad térmica del aire.

4. Aumentar la ventilación o circulación del aire:

Mejorar la circulación del aire entre las placas puede ayudar a dispersar el calor más rápidamente, lo que puede reducir el gradiente de temperatura y, por lo tanto, disminuir el flujo de calor.

Estas acciones pueden variar en su viabilidad y efectividad dependiendo de los requisitos específicos del experimento y las condiciones del laboratorio. Es importante evaluar cuidadosamente cada opción antes de tomar medidas para reducir el flujo de calor entre las placas.

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

La diferencia fundamental entre los modelos matemáticos y los procesos de cálculo en relación con la convección forzada radica en su enfoque y aplicación.

1. Modelos Matemáticos: Los modelos matemáticos son representaciones teóricas de fenómenos físicos que se basan en ecuaciones fundamentales de la física. En el caso de la convección forzada, los modelos matemáticos suelen derivarse de las leyes de conservación de la masa, la energía y el momento, junto con ecuaciones que describen la transferencia de calor y la dinámica de fluidos. Estos modelos proporcionan una comprensión teórica profunda del proceso de convección forzada y permiten predecir su comportamiento en diversas condiciones.

2. Procesos de Cálculo: Por otro lado, los procesos de cálculo implican la aplicación práctica de métodos numéricos o analíticos para resolver problemas específicos de ingeniería relacionados con la convección forzada. Estos cálculos pueden implicar la solución de ecuaciones diferenciales parciales que describen el flujo de fluido y la transferencia de calor, así como la implementación de métodos numéricos para discretizar y resolver estas ecuaciones en condiciones específicas. Los procesos de cálculo se centran en obtener resultados cuantitativos para aplicaciones prácticas, como el diseño de intercambiadores de calor, la optimización de sistemas de refrigeración o el análisis de procesos industriales.

Es decir que mientras que los modelos matemáticos proporcionan una base teórica sólida y una comprensión profunda del fenómeno de convección forzada, los procesos de cálculo se centran en la aplicación práctica de estos modelos para resolver problemas de ingeniería y tomar decisiones informadas en el diseño y operación de sistemas que involucran convección forzada.

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¿Qué es un termofluido y que propiedades los caracterizan?

Un termofluido, también conocido como fluido térmico, es un medio que se utiliza para transferir calor de un lugar a otro en sistemas de calefacción, refrigeración y procesos industriales. Estos fluidos se seleccionan por sus propiedades específicas que los hacen adecuados para transportar calor de manera eficiente y segura. Algunas propiedades características de los termofluidos incluyen:

1. Capacidad de Transferencia de Calor:

Los termofluidos deben tener una alta capacidad para absorber y transferir calor. Esto se logra mediante la conducción térmica, la convección y, en algunos casos, la radiación térmica.

2. Viscosidad:

La viscosidad del termofluido es importante, ya que afecta la facilidad con la que puede fluir a través de tuberías y equipos de intercambio de calor. Una viscosidad adecuada garantiza un flujo suave y eficiente.

3. Estabilidad Térmica:

Los termofluidos deben ser estables a una amplia gama de temperaturas para evitar la degradación térmica y mantener su rendimiento a lo largo del tiempo.

4. Punto de Congelación y Ebullición:

Es crucial que los termofluidos tengan puntos de congelación y ebullición adecuados para las condiciones de operación previstas. Esto garantiza que el fluido permanezca en estado líquido dentro del rango de temperaturas de trabajo.

5. Compatibilidad con Materiales:

Los termofluidos deben ser compatibles con los materiales de construcción de los sistemas en los que se utilizan para evitar la corrosión y el deterioro de los equipos.

6. Inflamabilidad y Toxicidad:

La inflamabilidad y toxicidad de los termofluidos son consideraciones importantes en términos de seguridad. Se prefieren fluidos con bajo riesgo de incendio y que sean seguros para el medio ambiente y los operadores.

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

En el flujo turbulento, la transferencia de calor se caracteriza por una mezcla caótica y desordenada de partículas del fluido, lo que resulta en una distribución más eficiente del calor. Algunas de las principales características de la transferencia de calor en el flujo turbulento son:

1. Mayor Eficiencia:

Comparado con el flujo laminar, el flujo turbulento permite una transferencia de calor más efectiva debido a la agitación y mezcla intensa de las partículas del fluido. Esto conduce a una mayor tasa de intercambio de calor entre la superficie sólida y el fluido.

2. Mayor Coeficiente de Transferencia de Calor:

En el flujo turbulento, el coeficiente de transferencia de calor es significativamente mayor que en el flujo laminar. Esto se debe a la presencia de vórtices, remolinos y corrientes secundarias que aumentan la mezcla y promueven una transferencia de calor más rápida.

3. Dependencia de la Velocidad del Flujo:

La transferencia de calor en el flujo turbulento está influenciada por la velocidad del flujo. A velocidades más altas, se generan turbulencias más intensas, lo que aumenta la transferencia de calor.

4. Resistencia al Flujo:

Aunque el flujo turbulento promueve una transferencia de calor más efectiva, también puede resultar en una mayor resistencia al flujo

en comparación con el flujo laminar. Esto significa que se requiere más energía para mantener el flujo turbulento, especialmente a velocidades más altas.

En cuanto al rollo de convección, en términos simples, representa un patrón característico de circulación de fluido que se forma cuando el fluido se calienta desde abajo y se enfría desde arriba. Este patrón se observa comúnmente en líquidos y gases cuando se calientan verticalmente, como el agua en una olla caliente o el aire cerca de una fuente de calor. El fluido caliente tiende a ascender debido a su menor densidad, mientras que el fluido más frío desciende para ocupar su lugar, creando así un ciclo continuo de circulación conocido como rollo de convección. Este fenómeno es fundamental en la transferencia de calor por convección y juega un papel importante en la distribución del calor en sistemas naturales y artificiales.
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Describe de forma simple lo que representa un rollo de convección.

Un rollo de convección es un patrón de movimiento característico que se forma cuando un fluido, ya sea líquido o gas, se calienta desde abajo y se enfría desde arriba. Imagina una olla de agua en la estufa: cuando el agua se calienta en la parte inferior, se vuelve menos densa y tiende a subir hacia la superficie, mientras que el agua más fría de la superficie desciende hacia abajo para ocupar su lugar. Este movimiento ascendente y descendente crea un ciclo continuo de circulación en forma de rollos o corrientes de convección. Este fenómeno es esencial para la transferencia de calor y se encuentra en muchos sistemas naturales y artificiales, como el clima, los océanos, la atmósfera y la calefacción de edificios.

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Esquema del proceso de transferencia de calor 

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Esquema del proceso de transferencia de calor 

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Link para mejor visualizacion. https://cards.algoreducation.com/app/card/663569fa628b551ac880f153

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Referencias:

Doran, P. M. (2013). Bioprocess engineering principles (2nd ed.). Academic Press.

Holman, J. P. (1998). Transferencia de calor (P. de Assas Martínez de Morentín, Trad.). MCGRAW-HILL.

Levenspiel, O. (2014). Flujo de fluidos e intercambio de calor. (J. C. López, Trad.). Reverté.

Welty, J. R., Wicks, C. E., Wilson, R. E., & Rorrer, G. L. (2008). Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa (5a ed.). John Wiley & Sons, Inc.

El Rincón de Primaria. (2023, November 17). TUTORIAL COMPLETO PADLET ACTUALIZADO 2023 | Cómo usar Padlet desde cero | Paso a paso [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=5GOuDPkYXG8

Materiales de apoyo:

Welty, J. R., Wicks, C. E., Wilson, R. E., & Rorrer, G. L. (2008). Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa (5a ed.). John Wiley & Sons, Inc. [PDF]. Liga de acceso: Welty -- Fundamentos de transferencia momento calor y masa.PDF.pdf

Holman, J. P. (1998). Transferencia de calor (P. de Assas Martínez de Morentín, Trad.). MCGRAW-HILL. [PDF]. Liga de acceso: Holman Transf de Calor.pdf

Doran, P. M. (2013). Bioprocess engineering principles (2nd ed.). Academic Press. [PDF]. Liga de acceso: Bioprocess_Engineering_Principles.pdf

Levenspiel, O. (2014). Flujo de fluidos e intercambio de calor. (J. C. López, Trad.). Reverté. [PDF]. Liga de acceso: Flujo de Fluidos - Intercambio de calor.pdf

El Rincón de Primaria. (2023, November 17). TUTORIAL COMPLETO PADLET ACTUALIZADO 2023 | Cómo usar Padlet desde cero | Paso a paso [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=5GOuDPkYXG8