Termodinámica: Convección y Radiación Térmica

Tema 4. Balance microscópico de energía

• El tema 4 se enfoca en el balance microscópico de energía.
• Se divide en dos bloques: principios matemáticos y balances, y distribuciones de propiedad y aplicaciones.
• Dentro del bloque A se incluyen temas como la introducción a los fenómenos de transporte, balance microscópico de materia, balance microscópico de cantidad de movimiento y el balance microscópico de energía.
• El bloque B abarca distribuciones de velocidad, distribuciones de temperatura, distribuciones de concentración y transporte de interfase y analogías.
• Se define las formas de energía asociadas a la materia: cinética (movimiento macroscópico) y potencial (posición relativa en un campo de energía potencial).
• La energía interna está asociada con el movimiento (cinética) o posición (potencial) de las partículas subatómicas de la materia.
• Calor y trabajo son formas de energía en tránsito.
• El calor fluye debido a la diferencia de temperatura.
• El trabajo fluye debido a la acción de las fuerzas mecánicas.
• Calor y trabajo no son funciones de estado; sus valores dependen de la trayectoria.
• Los mecanismos de transmisión de calor son conducción, convección y radiación.
• Sólo la conducción y la radiación se originan en una diferencia de temperatura.
• La convección implica transferencia de materia.
• La transmisión de calor por conducción se atribuye al intercambio de energía entre moléculas y electrones adyacentes.
• La conducción en sólidos implica la transferencia de energía de vibración entre moléculas.
• La conducción en metales se debe a la difusión de electrones libres.
• En fluidos, la conducción también implica la transferencia de energía cinética.
• La conducción es un proceso lento.

Ecuación general del balance microscópico de energía

• Se presenta la ecuación general de balance a un elemento de volumen estático a través del que fluye un fluido.
• La ecuación toma en cuenta la acumulación de energía cinética e interna.
• Considera velocidad de entrada y salida de energía cinética e interna por advección, entrada neta de energía calorífica por conducción y por transporte molecular.
• Se menciona velocidad neta de trabajo comunicado al sistema por los alrededores.
• La energía cinética está relacionada con el movimiento global del fluido.
• La energía interna considera los movimientos internos y de traslación de las moléculas.

Mecanismos de transmisión de calor

• Se describen los mecanismos para la transmisión o transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
• Se explicita la distinción entre conducción y radiación, que a diferencia de la convección, no implica el transporte de materia.

Ecuación general del balance microscópico de energía

• Se proporciona la expresión del balance a un elemento de volumen estático a través del cual fluye un fluido.
• Se describen la velocidad de acumulación del fluido, velocidad entrada neta de energía cinética e interna por transporte advectivo, y velocidad de entrada neta de energía calorífica.

Ecuación general del balance microscópico de energía

• Se describe la acumulación de energía cinética e interna, la velocidad de entrada y salida de energía cinética e interna.
• Se incorporan elementos de entrada neta de energía calorífica por conducción y transporte molecular.
• Se menciona la velocidad neta de trabajo comunicado al sistema por los alrededores.

Velocidad neta de trabajo realizado sobre el fluido por los alrededores

• La velocidad neta de trabajo se debe a la fuerza de gravedad, a la presión estática y a las fuerzas viscosas.
• Las fuerzas son expresadas por la velocidad de producción de trabajo.
• Se describe que la velocidad de producción de trabajo depende de las fuerzas de gravedad y de las fuerzas viscosas .
• Se proporciona la fuerza neta de trabajo.

Ecuación de conservación de la energía calorífica

• Se presenta la ecuación que describe la conservación de la energía calorífica.
• Se define la velocidad de ganancia de energía interna.
• Se describe el transporte de energía interna por conducción.
• El trabajo de compresión/expansión.
• Se especifica la disipación viscosa.
• Los dos últimos términos son comunes a los balances de energía mecánica y de energía calorífica ,que aparecen con signo contrario en cada uno.

Otras expresiones del balance de energía

• La expresión de la ecuación de conservación de la energía total es en función de la energía total del sistema.
• Se define la energía potencial por unidad de masa.

Expresión para el cálculo de perfiles de temperatura en el sistema

• Se presenta la ecuación para calcular perfiles de temperatura.
• Se define calor especifico como función de (V,T).

Componente de la densidad de flujo de energía (Ley de Fourier)

• Se dan las expresiones en coordenadas rectangulares, cilíndricas y esféricas.

Recordatorio básico de notación

• Se define las funciones de escalares, vectores, tensores y sus diferentes expresiones matriciales.
• Se especifican los productos que no siguen la regla de multiplicación de matrices.

Ecuación de energía en coordenadas rectangulares

• Se presenta la ecuación en coordenadas rectangulares en función de las densidades de flujo.

Ecuación de energía en coordenadas cilíndricas

• Se indica la ecuación de energía en coordenadas cilíndricas.

Ecuación de energía en coordenadas esféricas

• Se proporciona la ecuación de energía en coordenadas esféricas.

Simplificaciones del balance de la energía calorífica

• Se mencionan los fluidos newtonianos con conductividad calorífica constante.
• Se incluye el esfuerzo cortante función del gradiente de velocidad.
• Se muestran las ecuaciones en coordenadas rectangulares, cilíndricas y esféricas.

Ecuación de la energía en régimen turbulento: ecuación de conservación de la energía de tiempo ajustado

• Se presenta la ecuación para régimen turbulento.
• Se especifica los flujos de propiedad debido al movimiento global (advección), flujos de propiedad debidos a las turbulencias (convección) y flujos de propiedad debidos al transporte molecular (difusión).

Ecuación de Movimiento de Boussinesq para convección natural y forzada

• Se expone la ecuación de movimiento considerando el término de flotación.

Este cuestionario abarca conceptos fundamentales de la termodinámica, centrándose en la convección natural y forzada, así como en la radiación térmica. Los temas incluyen la ley de enfriamiento de Newton, la conservación de energía calorífica y el balance microscópico de energía. Podrás evaluar tus conocimientos sobre estos fenómenos físicos esenciales.