2019 - I2 - Apunte Ut4 - Principios Físicos Acondicionamiento Térmico PDF
2019 - I2 - Apunte Ut4 - Principios Físicos Acondicionamiento Térmico PDF
2019 - I2 - Apunte Ut4 - Principios Físicos Acondicionamiento Térmico PDF
1. f. Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del
ambiente. Su unidad en el Sistema Internacional es el kelvin (K).
Parece ser que en la naturaleza el calor siempre fluye en el sentido del cuerpo de
mayor temperatura al de menor temperatura. Por lo menos nunca nadie ha visto
que espontáneamente de dos cuerpos que están inicialmente en equilibrio térmico,
después de un tiempo, uno de ellos empiece a calentarse y el otro a enfriarse. Del
mismo modo, es natural ver caerse un vaso del borde de una mesa y quebrarse en
el suelo, pero nunca esperaríamos que los pedazos de vidrio de un vaso roto en el
suelo se reconstruyeran y luego el vaso salte hasta quedar situado sobre la mesa.
En nuestro universo el tiempo transcurre en un solo sentido y ello está determinado
por el modo en que se suceden procesos como los indicados.
Para entender la diferencia mencionada inicialmente, supongamos que ponemos
en contacto dos objetos (A y B) cuyas temperaturas iniciales (TiA y TiB
respectivamente) son diferentes (por ejemplo TiA > TiB). Después de algún tiempo,
alcanzarán la misma temperatura final de equilibrio (TfA = TfB).
Diremos entonces que del cuerpo A ha pasado calor al cuerpo B. En otras palabras,
entenderemos el calor como energía en tránsito que fluye de los cuerpos de mayor
temperatura a los de menor temperatura. En este sentido, el “frío” no existe como
entidad física.
I2 a 2
Es interesante recordar que los físicos pensaron alguna vez que el calor era
realmente una sustancia, que denominaron “calórico”, y que fluía de los cuerpos
calientes a los más fríos, pero todos los intentos por ponerla de manifiesto (medir
su masa, por ejemplo) fracasaron. Hoy sabemos que es simple energía mecánica que
se traslada de un cuerpo a otro. Según nuestro modelo cinético molecular, las
moléculas del cuerpo A se mueven o vibran con mayor rapidez que las del B y, al
interactuar, reducen su rapidez e incrementan las del cuerpo B.
Debe entenderse entonces que los objetos no poseen calor. Tampoco se debe
confundir el calor con la energía interna de un cuerpo. Dos objetos pueden poseer
la misma temperatura y energías internas muy diferentes.
Otra diferencia evidente entre temperatura y calor son las unidades y
procedimientos con que se miden. Como sabemos, la temperatura se mide con
termómetros en escalas como la Celsius o la Kelvin; el calor, en cambio, se mide en
calorías y no hay un instrumento que lo mida en forma directa.
Para reflexionar: si lo anterior es cierto, entonces, ¿cómo hacen los equipos de aire
acondicionado o la simple heladera para enfriar el aire o los alimentos?
CALOR: Es una manifestación de la energía que poseen los cuerpos, provocada por
el movimiento de sus moléculas.
. Intensidad de Calor y
. Cantidad de Calor
UNIDADES
Las unidades utilizadas en nuestros cálculos son las siguientes:
Kcal (Kilocaloría): Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC (de 14,5° a
15,5°) la temperatura de 1 kg. de agua, a presión atmosférica normal.
Ce (Calor Específico): De una sustancia, es el número de Kilocalorías que son
necesarias para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 Kg. de la misma. (Ce del agua = 1).
Clf (Calor latente de fusión): Es la cantidad de calor que hay que agregar a una masa
de 1Kg. de hielo para lograr su fusión y convertirla en 1 Kg de agua. (80 Kcal/Kg.).
Clv (Calor latente de vaporización): Es la cantidad de calor que hay que agregar a
una masa de 1 Kg de agua para convertirla totalmente en vapor. (539 Kcal/Kg).-
Kcal / h (Flujo de Calor): Es la cantidad de calor que se propaga o transmite en una
hora, entre dos cuerpos, y se expresa en Kilocalorías/hora.
Kcal / h m2 (Densidad de Flujo): Es el flujo de calor que se transmite por unidad de
superficie y se expresa en Kilocalorías / hora m2.
I2 a 4
Podemos reconocer dos formas de manifestación del calor, de acuerdo a los efectos
que este produce.
A este calor que se debió aportar al hielo, que le produjo un cambio de estado, sin
aumento de su temperatura, lo denominamos Calor Latente.
Cuando el termómetro alcance los 100 ºC (punto C), habremos aportado 100 Kcal
adicionales y veremos que comienzan a formarse burbujas de vapor de agua, es
decir que se produce un nuevo cambio de estado de la sustancia, de líquida a
gaseosa.
A este calor utilizado para cambiar el estado del agua se lo denomina también
Calor Latente.
Esto significa que para lograr el cambio de estado de un cuerpo, se requerirá una
mayor cantidad de calor que para elevar su temperatura. Si a partir de este punto E
continuamos agregando calor, el termómetro indicará nuevamente un aumento de
temperatura (Calor Sensible) de vapor sobrecalentado (punto F).
Este proceso analizado tiene la característica que puede ser revertido, esto es, que
si a una masa de vapor de agua, le extraemos calor, lograremos que cambie de
estado, hasta que se condense totalmente convirtiéndose en agua (le estamos
quitando Calor Latente).
Transferencia de Calor
En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos
cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta
temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.
Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir
que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se
transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el
agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida
por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta
un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor
se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su
totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree
que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan
energía cuando existe una diferencia de temperatura.
Convección
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas,
es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento
transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado
convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se
calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele
disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más
caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso
desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no
uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.
Radiación
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la
convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en
contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un
término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con
ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse
mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la
radiación electromagnética es la teoría cuántica.
I2 a 9
4.2 - TERMOTECNIA
TERMODINAMICA DE LA PIZZA
En una primera aproximación una pizza sin cocer consiste en tres discos superpuestos: A, B, C, el
disco A es una masa de harina y levadura y tiene un espesor a, el disco B se compone
principalmente de puré de tomate y su espesor es b, el disco C es mozzarella y su espesor es c, y en
general a siempre es más grande que b y c.
Este compuesto triliminar se mete en un recipiente isotérmico a 533 grados Kelvin (bah un horno
pizzero a 260 grados centígrados), cuando la estructura de discos apilados se equilibra a la elevada
temperatura se producen tres cambios de estado, la masa se convierte en pan (de semilíquida a
solido crujiente), el puré de tomate se deshidrata y tercero la mozzarella sufre una compleja
transformación que incluye la desnaturalización de las proteínas y lípidos desde el estado
semisólido regular hasta un estado más desordenado (estado fluente sabroso).
Tras sacar la pizza del horno se corta en porciones triangulares siguiendo los radios del disco, se
mete en una caja plana de cartón que se cierra inmediatamente.
Los cortes no impiden que el queso vuelva a insertarse en las ranuras por lo que desde el punto de
vista térmico podemos considerar a la pizza como un plano infinito y reducir el problema de la
transmisión de calor a una dimensión representada por un vector normal a la superficie.
Nos queda ahora un conjunto cuya primer capa es el cartón del fondo de la caja, la segunda una
capa muy buena como aislante debido a las diminutas cámaras de aire que se han producido
durante la cocción y prácticamente sin agua, la tercera podríamos despreciarla por su escaso
espesor después de la deshidratación sufrida, la siguiente obviamente la causa del trauma del
paladar si se la come muy caliente ya que densa y con calor especifico que desconocemos, pero
presumimos alto, es siempre la de mayor temperatura, luego una capa de aire y por último la
capa de cartón de la tapa que suele calentarse sobremanera, lo que nos indica que en este caso el
calor fluye en sentido vertical ascendente.
La pérdida de calor almacenado en la mozzarella debe responder a los tres mecanismos, hacia
abajo por conducción, pero es bajo ya que el pan es buen aislante y hacia arriba por radiación y
convección, siendo esta última muy baja también por cuanto el espesor de la cámara de aire
hasta la tapa suele ser muy bajo, por lo tanto inferimos que aun cuando podamos tomar el
triángulo de pizza con la mano (por el pan) el queso puede estar caliente todavía……
**Fragmentos del libro termodinámica de la pizza del biofísico Harold Morowitz
La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de
conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una
sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a
substancias con las que está en contacto.
La inversa de la conductividad térmica es la resistencia térmica, que es la capacidad de los
materiales para oponerse al paso del CALOR (Wikipedia)
Cálculo de K
El Cálculo de K es un método analítico que permite determinar la cantidad de calor que ha
de atravesar un cerramiento compuesto, incluyendo entre las capas consideradas, los
materiales sólidos, las cámaras de aire y unas delgadas capas de aire inmediatamente
adheridas sobre ambas caras del cerramiento, que ofrecen también resistencia al paso de
calor, llamadas resistencia pelicular interior y exterior.
Donde Rsi y Rse son los llamados coeficiente pelicular interior y exterior
determinados experimentalmente
Y donde R1, R2, Rn son las resistencias de capa que como hemos visto
e1 e2 en
R1 = ----- y R2 = ----- ……Rn = ------
n
Y como dijimos que K es la inversa de la Rt, tendremos:
1 1 1
2
K ( W /m °C ) = ------- = -------- = --------------------------------------------
Rt ∑R Rsi + e1 + e2 + .. en + Rse
n
Para realizar el cálculo se utiliza una planilla elaborada por la Cátedra
Estos resultados no deben superar los valores máximos de K admitidos por la
Norma IRAM 11.605, (ver Tablas), para que el cerramiento analizado cumpla con
las condiciones mínimas de habitabilidad establecidos por la Secretaría de Vivienda
de la Nación para cada zona bioclimática de nuestro país.
En la Guía de Trabajos Prácticos, se incluyen: la planilla a utilizar para la realización
de todos los cálculos para determinar el valor de K, y Ejercicios Modelo de
resolución.
También podrán encontrar en las tablas las que tienen características de los
diversos componentes que pueden constituir un cerramiento
I2 a 12
4.3 - PSICROMETRIA
PSICROMETRÍA
En razón de que el aire del ambiente que rodea al cuerpo humano es el medio
natural mediante el cual se efectúa la transferencia de calor, se hace necesario
conocer algunos conceptos básicos sobre este medio y sus características, con el fin
de utilizarlos posteriormente para el cálculo de los equipos de acondicionamiento.
El aire atmosférico está constituido por una mezcla de Vapor de Agua y Aire Seco, y
éste último a su vez está conformado por Nitrógeno (77%), Oxigeno (22%) y una
pequeña proporción de gases raros (1%).
I2 a 13
ÁBACO PSICROMÉTRICO
La Psicrometría, como ciencia que estudia las características del aire atmosférico y
su humedad, es muy interesante en sí misma, pero adquiere importancia para
nosotros por la aplicación directa en el acondicionamiento del aire, ya que
mediante la modificación de las características del mismo, actuaremos sobre los
componentes más importantes del bienestar térmico.
Para una más fácil interpretación del ábaco, describimos a continuación la forma en
que es construido, señalando así también cada uno de los siete parámetros que se
encuentran representados en el mismo:
Esto significa que para cada valor de temperatura, la máxima cantidad de vapor que
el aire puede contener en forma de vapor será un valor constante, expresado en
gr/Kg. de he, superado dicho valor, si aumentamos la cantidad de humedad, la
masa de aire ya no la puede contener y el vapor excedente comenzará a
condensarse, convirtiéndose en agua.
Por lógica, si la cantidad de vapor de agua que el aire contiene es variable, podremos
entonces trazar en el ábaco una curva que nos represente una masa de aire que
contiene solamente la mitad del máximo permitido para cada temperatura.
A esta nueva curva la denominamos Línea del 50% de Humedad Relativa, porque
nos está indicando justamente la cantidad de vapor de agua que contiene con
relación al máximo posible y de la misma manera podremos encontrar líneas
intermedias entre los valores máximo y mínimo (fig. 7).
La cantidad de vapor de agua que una masa de aire contiene, a una cierta
temperatura, con relación al máximo que puede contener a esa misma
temperatura, expresado como porcentaje (%).
Por lo tanto, la diferencia entre las lecturas de ambos termómetros nos permite
establecer el Porcentaje de Humedad Relativa ( hr ) del aire del ambiente.
Entalpía ( Ht ; Kcal/Kg)
Pero además, como el volumen que ocupa el aire seco es distinto que el del
vapor de agua, las líneas resultan ligeramente inclinadas, según que, a mayor
cantidad de vapor de agua, mayor volumen para una misma temperatura (fig. 10).
Podemos decir que Volumen Específico del Aire es el volumen que ocupa un
Kilogramo de aire a una temperatura dada, expresado en m3/Kg.
Con el mismo nombre del título podemos encontrar disponible en biblioteca de la FAU, un libro
muy interesante, del Mexicano Fernando Ramón
CONFORT
Parte del esfuerzo humano de superación esta dirigido a desarrollar aquellos
elementos que le permitan sentirse bien y por ello puede definirse confort
higrotérmico (en adelante CH) como la ausencia de malestar térmico.
En fisiología se dice que hay confort higrotérmico cuando no tienen que intervenir
los mecanismos termorreguladores del cuerpo para una actividad sedentaria y con
un ligero arropamiento.
Esta situación puede registrarse mediante índices que no deben ser sobrepasados
para que no se pongan en funcionamiento los sistemas termorreguladores
(sudoración, metabolismo, y otros).
El cuerpo humano está preparado para reaccionar ante los cambios climáticos, pero
estas reacciones le hacen consumir energía metabólica. La sensación de comodidad
surge de la generación de un microclima que evita la reacción del cuerpo ahorrando
gastos de energía, que se denomina termorregulación natural en oposición al abrigo
ROPA que es un fenómeno de termorregulación artificial.
I2 a 23
Fig. 1
Para el diseño pasivo, los modelos más aceptados por la comunidad de arquitectos
e ingenieros bioclimáticos son los elaborados por los hermanos Olgyay y por Baruch
Givoni.