TERMODINÁMICA

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Mapa de consumo de un motor diesel de tres cilindros, capacidad 1.5 l.

Un mapa de consumo o un mapa de eficiencia ^[1] muestra el consumo de combustible específico del freno en g por kWh sobre la presión media efectiva por velocidad de rotación de un motor de combustión interna .

El eje x muestra el rango de velocidad de rotación . El eje y representa la carga en el motor. Las líneas de contornomuestran el consumo específico de combustible, indicando las áreas del régimen de velocidad / carga donde el motor es más o menos eficiente.

El mapa contiene cada condición posible, combinando velocidad de rotación y presión media efectiva . Se muestra el resultado del consumo específico de combustible. Una salida de potencia de rotación típica P (lineal a$${\ displaystyle p_ {e} \ cdot \ omega}) se alcanza en varios lugares del mapa, pero difiere en la cantidad de consumo de combustible. Las transmisiones automáticasestán diseñadas para mantener el motor a la velocidad con el menor consumo de combustible posible, dada la demanda de potencia.

El mapa también muestra la eficiencia del motor. Según el tipo de combustible, los motores diésel y de gasolinaalcanzan hasta 210 g / kWh y una eficiencia de alrededor del 40%. Utilizando gas natural esta eficiencia se alcanza a 200 g / kWh. ^[2]

Los valores promedio ^[3] son 160–180 g / kWh para motores de bote diesel de dos tiempos que se mueven lentamente con combustible , alcanzando hasta un 55% de eficiencia a 300 rpm. 195-210 g / kWh en enfriados y pre cargadas motores diesel para vehículos de pasajeros, camiones 195-225 g / kWh. Motores de gasolina de ciclo Otto sin carga para vehículos de pasajeros de 250–350 g / kWh.

volumen de control es una abstracción matemática empleada en el proceso de creación de modelos matemáticos de procesos físicos. En un marco de referencia inercial , es un volumen fijo en el espacio o que se mueve con una velocidad de flujo constante a través del cual fluyeel continuo ( gas , líquido o sólido ). La superficie que encierra el volumen de control se conoce como la superficie de control . ^[1]

En estado estable , un volumen de control puede considerarse como un volumen arbitrario en el que la masa del continuo permanece constante. Cuando un continuo se mueve a través del volumen de control, la masa que ingresa al volumen de control es igual a la masa que sale del volumen de control. En estado estable, y en ausencia de trabajo y transferencia de calor, la energía dentro del volumen de control permanece constante. Es análogo al concepto de mecánica clásica del diagrama de cuerpo libre .

Descripción general [ editar ]

Por lo general, para entender cómo se aplica una ley física determinada al sistema que se está considerando, primero se comienza por considerar cómo se aplica a un volumen pequeño de control o "volumen representativo". No hay nada especial en un volumen de control particular, simplemente representa una pequeña parte del sistema al que se pueden aplicar fácilmente las leyes físicas. Esto da lugar a lo que se denomina una formulación volumétrica o volumétrica del modelo matemático.

Entonces, se puede argumentar que dado que las leyes físicas se comportan de cierta manera en un volumen de control particular, se comportan de la misma manera en todos esos volúmenes, ya que ese volumen de control particular no era especial de ninguna manera. De esta manera, se puede desarrollar la formulación puntual correspondiente del modelo matemático para que pueda describir el comportamiento físico de un sistema completo (y quizás más complejo).

En la mecánica de continuidad, las ecuaciones de conservación (por ejemplo, las ecuaciones de Navier-Stokes ) están en forma integral. Por lo tanto, se aplican en volúmenes. Encontrar formas de la ecuación que sean independientes de los volúmenes de control permite la simplificación de los signos integrales. Los volúmenes de control pueden ser estacionarios o pueden moverse con una velocidad arbitraria. ^[2]

Derivado sustantivo [ editar ]

Artículo principal: Material derivado.

Los cálculos en mecánica continua a menudo requieren que el operador de derivación de tiempo regular$${\ displaystyle d / dt \;} Es reemplazado por el operador derivado sustantivo . $${\ displaystyle D / Dt}. Esto puede verse como sigue.

Considere un error que se está moviendo a través de un volumen donde hay un escalar , por ejemplo , presión , que varía con el tiempo y la posición: $${\ displaystyle p = p (t, x, y, z) \;}.

Si el error durante el intervalo de tiempo de $${\ displaystyle t \;} a $${\ displaystyle t + dt \;} se mueve desde $${\ displaystyle (x, y, z) \;} a $${\ displaystyle (x + dx, y + dy, z + dz), \;} entonces el error experimenta un cambio $${\ displaystyle dp \;} en el valor escalar,

$${\ displaystyle dp = {\ frac {\ parcial p} {\ parcial t}} dt + {\ frac {\ parcial p} {\ parcial x}} dx + {\ frac {\ parcial p} {\ parcial y}} dy + {\ frac {\ partial p} {\ partial z}} dz}

(El diferencial total ). Si el bug se mueve con una velocidad. $${\ displaystyle \ mathbf {v} = (v_ {x}, v_ {y}, v_ {z}),} El cambio en la posición de las partículas es $${\ displaystyle \ mathbf {v} dt = (v_ {x} dt, v_ {y} dt, v_ {z} dt),} y podemos escribir

{\ displaystyle {\ begin {alineado} {2} dp & = {\ frac {\ parcial p} {\ parcial t}} dt + {\ frac {\ parcial p} {\ parcial x}} v_ {x} dt + {\ frac {\ parcial p} {\ parcial y}} v_ {y} dt + {\ frac {\ parcial p} {\ parcial z}} v_ {z} dt \\ & = \ left ({\ frac {\ parcial p } {\ parcial t}} + {\ frac {\ parcial p} {\ parcial x}} v_ {x} + {\ frac {\ parcial p} {\ parcial y}} v_ {y} + {\ frac { \ partial p} {\ partial z}} v_ {z} \ right) dt \\ & = \ left ({\ frac {\ partial p} {\ partial t}} + \ mathbf {v} \ cdot \ nabla p \ right) dt. \\\ end {alignat}}}

dónde $${\ displaystyle \ nabla p}es el gradiente del campo escalar p . Asi que:

$${\ displaystyle {\ frac {d} {dt}} = {\ frac {\ partial} {\ partial t}} + \ mathbf {v} \ cdot \ nabla.}

Si el error simplemente se mueve con el flujo, se aplica la misma fórmula, pero ahora el vector de velocidad, v , es el del flujo , u . La última expresión entre paréntesis es el derivado sustantivo de la presión escalar. Dado que la presión p en este cálculo es un campo escalar arbitrario, podemos abstraerlo y escribir el operador derivado sustantivo como

$${\ displaystyle {\ frac {D} {Dt}} = {\ frac {\ partial} {\ partial t}} + \ mathbf {u} \ cdot \ nabla.}

La transferencia de calor por convección , a menudo referida simplemente como convección , es la transferencia de calor de un lugar a otro por el movimiento de fluidos . La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases. Aunque a menudo se discute como un método distinto de transferencia de calor, la transferencia de calor por convección implica los procesos combinados de conducción desconocida (difusión de calor) y advección (transferencia de calor por flujo de fluido a granel ).

Simulación de convección térmica. Los tonos rojos designan áreas cálidas, mientras que las regiones con tonos azules son frías. Una capa límite inferior caliente y menos densa envía columnas de material caliente hacia arriba y, de igual manera, el material frío desde la parte superior se mueve hacia abajo. Esta ilustración está tomada de un modelo de convección en el manto de la Tierra .

Descripción general [ editar ]

La convección puede ser "forzada" por el movimiento de un fluido por medios distintos a las fuerzas de flotabilidad (por ejemplo, una bomba de agua en un motor de automóvil). La expansión térmica de los fluidos también puede forzar la convección. En otros casos, solo las fuerzas de flotabilidad natural son totalmente responsables del movimiento del fluido cuando el fluido se calienta, y este proceso se denomina "convección natural". Un ejemplo es el tiro en una chimenea o alrededor de cualquier incendio. En la convección natural, un aumento en la temperatura produce una reducción en la densidad, que a su vez provoca un movimiento del fluido debido a las presiones y fuerzas cuando los fluidos de diferentes densidades se ven afectados por la gravedad (o cualquier fuerza ). Por ejemplo, cuando el agua se calienta en una estufaEl agua caliente del fondo de la bandeja se eleva, desplazando el líquido más denso y frío que cae. Una vez que se ha detenido el calentamiento, la mezcla y la conducción de esta convección natural finalmente dan como resultado una densidad casi homogénea e incluso una temperatura. Sin la presencia de la gravedad (o las condiciones que causan una fuerza g de cualquier tipo), la convección natural no se produce y solo funcionan los modos de convección forzada.

El modo de transferencia de calor por convección comprende un mecanismo. Además de la transferencia de energía debido al movimiento molecular específico ( difusión ), la energía se transfiere mediante un movimiento masivo o macroscópico del fluido. Este movimiento está asociado con el hecho de que, en cualquier momento, un gran número de moléculas se mueven colectivamente o como agregados. Dicho movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Debido a que las moléculas en conjunto conservan su movimiento aleatorio, la transferencia de calor total se debe a la superposición del transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas.y por el movimiento masivo del fluido. Es habitual utilizar el término convección al referirse a este transporte acumulativo y el término advección al referirse al transporte debido al movimiento masivo del fluido. ^[1]

Tipos [ editar ]

Esta imagen de color schlierenrevela la convección térmica de una mano humana (en forma de silueta) al intercambio de imágenes circundantes.

Se pueden distinguir dos tipos de transferencia de calor por convección:

• Convección libre o natural : cuando el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de flotación que resultan de las variaciones de densidad debidas a variaciones de temperatura térmica en el fluido. En ausencia de una fuente interna, cuando el fluido está en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, lo que hace que el fluido sea menos denso. Como consecuencia, el fluido se desplaza mientras el fluido más frío se vuelve más denso y el fluido se hunde. Por lo tanto, el volumen más caliente transfiere calor hacia el volumen más frío de ese fluido. ^[2]Ejemplos familiares son el flujo ascendente de aire debido a un fuego o un objeto caliente y la circulación de agua en una olla que se calienta desde abajo.
• Convección forzada : cuando un fluido es forzado a fluir sobre la superficie por una fuente interna como ventiladores, agitando y bombeando, creando una corriente de convección inducida artificialmente. ^[3]

En muchas aplicaciones de la vida real (por ejemplo, las pérdidas de calor en los receptores centrales solares o el enfriamiento de paneles fotovoltaicos), la convección natural y forzada se produce al mismo tiempo ( convección mixta ). ^[4]

El flujo interno y externo también puede clasificar la convección. El flujo interno ocurre cuando un fluido está encerrado por un límite sólido tal como cuando fluye a través de una tubería. Un flujo externo ocurre cuando un fluido se extiende indefinidamente sin encontrar una superficie sólida. Ambos tipos de convección, ya sea natural o forzada, pueden ser internos o externos porque son independientes entre sí. ^{[ cita requerida ]} La temperatura global , o la temperatura promedio del fluido, es un punto de referencia conveniente para evaluar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor por convección, particularmente en aplicaciones relacionadas con el flujo en tuberías y conductos.

Se puede hacer una clasificación adicional dependiendo de la suavidad y ondulaciones de las superficies sólidas. No todas las superficies son lisas, aunque la mayor parte de la información disponible trata sobre superficies lisas. Las superficies irregulares onduladas se encuentran comúnmente en dispositivos de transferencia de calor que incluyen colectores solares, intercambiadores de calor regenerativos y sistemas de almacenamiento de energía subterráneos. Tienen un papel importante que desempeñar en los procesos de transferencia de calor en estas aplicaciones. Dado que aportan una complejidad adicional debido a las ondulaciones en las superficies, deben abordarse con delicadeza matemática mediante técnicas de simplificación elegante. También afectan las características de flujo y transferencia de calor, por lo que se comportan de manera diferente a las superficies rectas y lisas. ^[5]

Para una experiencia visual de convección natural, se puede colocar un vaso lleno de agua caliente y un poco de colorante rojo dentro de una pecera con agua fría y clara. Se puede observar que las corrientes de convección del líquido rojo aumentan y disminuyen en diferentes regiones, y luego se asientan, lo que ilustra el proceso a medida que se disipan los gradientes de calor.

La ley de enfriamiento de Newton [ editar ]

Artículo principal: Ley de enfriamiento de Newton.

En ocasiones, se supone que el enfriamiento por convección está descrito por la ley de enfriamiento de Newton. ^[6]

La ley de Newton establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y sus alrededores mientras se encuentra bajo los efectos de una brisa . La constante de proporcionalidad es el coeficiente de transferencia de calor . ^[7] La ley se aplica cuando el coeficiente es independiente, o relativamente independiente, de la diferencia de temperatura entre el objeto y el entorno.

En la transferencia de calor por convección natural clásica, el coeficiente de transferencia de calor depende de la temperatura. Sin embargo, la ley de Newton se aproxima a la realidad cuando los cambios de temperatura son relativamente pequeños.

Transferencia de calor por convección [ editar ]

La relación básica para la transferencia de calor por convección es:

$${\ displaystyle {\ dot {Q}} = hA (T_ {f} -T)}

dónde $${\ displaystyle {\ dot {Q}}}es el calor transferido por unidad de tiempo, A es el área del objeto, h es el coeficiente de transferencia de calor , T es la temperatura de la superficie del objeto y T _f es la temperatura del fluido. ^[8]

El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de las propiedades físicas del fluido y de la situación física. Los valores de h se han medido y tabulado para fluidos y situaciones de flujo comunes.