Lab Ope2
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FACULTAD DE INGENIERIA
PRACTICA No. 1
INFORME DE LABORATORIO:
¨MEDIDAS Y PROPIEDADES FISICAS¨
PROYECTO
MEDIDOR DE CONDUCTIVIDAD DE SOLIDOS, SOLIDOS
GRANULARES, LIQUIDOS Y GASES
LA PAZ – BOLIVIA
ÍNDICE
1. Objetivos..................................................................................................................................2
1.1 Objetivo General................................................................................................................2
1.2 Objetivos Específicos.........................................................................................................2
2. Justificación.............................................................................................................................3
3. MARCO TEORICO...............................................................................................................5
3.1 Conductividad térmica................................................................................................5
3.2 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES..............................................5
3.2.1Conductividad térmica..........................................................................................5
3.2.2 Conductividad térmica de los materiales homogéneos...............................6
3.2.2.1 Conductividad térmica de los sólidos homogéneos.............................6
3.2.2.2 Conductividad térmica de los líquidos homogéneos............................8
3.2.2.3 Conductividad térmica de los gases homogéneos................................9
3.2.3 Conductividad térmica aparente de los materiales no homogéneos.....10
3.3 Conductividad en líquidos........................................................................................10
3.4 SÓLIDOS.......................................................................................................................13
3.5 SÓLIDOS GRANULARES....................................................................................................14
3.5.1 CONDUCTIVIDAD EN SÓLIDOS Y SÓLIDOS GRANULARES........................15
4. Diagrama del proceso.....................................................................................................16
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1. Objetivos
2. Justificación
Es importante el estudio de la conductividad térmica de diferentes tipos de sustancias
(sólidos, líquidos o gases) así como buscar diferentes maneras para determinar estas,
debido a las múltiples aplicaciones que tiene el conocimiento de la característica
conductora o aislante de un material, trayendo grandes beneficios.
Es importante conocer la naturaleza conductora de un material dependiendo del uso
que se le dará a este, para minimizar pérdidas de energía y, por tanto, pérdidas
económicas; si tienes la necesidad de utilizar un buen conductor térmico con algún fin
en específico, puede resultarte costoso y complicado el uso de un conductor común,
pero, ¿qué pasa si tenemos un material con mejores condiciones de costo y con
características similares, que no son materiales muy comunes en este ámbito? A veces
solo hace falta dedicarle tiempo al estudio de un material poco común para descubrir
cualidades nuevas, y una está en la conducción térmica, por eso es importante conocer
la manera de medir, experimentalmente, la conductividad térmica de diferentes tipos
de materiales.
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Vale la pena dedicarle tiempo al estudio de la naturaleza conductora de los diferentes
materiales por las diferentes áreas laborales y cotidianas en las que influye, ya que
existen muchas aplicaciones que tiene un material conductor, y también existen
múltiples aplicaciones para los materiales malos conductores o aislantes térmicos.
Una aplicación clara de esto está en la cocina, por la misma necesidad del calor, las
ollas son fabricadas de materiales conductores que permitan el paso del calor del
fuego para la cocción, pero así mismo, se ve la presencia de materiales aislantes en los
sartenes para que se facilite al momento de manipularlos. En el proceso de la cocina,
existen pérdidas de energía que conllevan un gasto económico, cosa que puede
minimizarse, tal vez, estudiando otros materiales que sean menos costosos como tal, y
que puedan tener una mejor conductividad térmica.
Otra aplicación importante de la conducción térmica se da en la construcción, en la
infraestructura de las edificaciones, donde se busca que en el interior pueda
mantenerse el calor del ambiente incluso durante las noches más frías que puedan
presentarse, para lo cual, se utilizan materiales aislantes que impidan la salida del calor
del ambiente interior. Así mismo, en las ventanas de las edificaciones, se busca contar
con propiedades de aislamiento térmico, además de ser capaces de desviar la
radiación solar por lo dañino que conlleva esta; así mismo, si es necesario climatizar un
espacio, como es caso de los invernaderos, se utilizan materiales conductores en los
vidrios, como oro disperso, de tal forma que ayuden a reflejar la radiación de sol hacia
afuera, manteniendo la frescura en el interior cuando hace mucho calor.
Se habló del oro, el cual es un ejemplo de un material con una buena característica de
conductor, se emplea para fabricar conectores de audífonos, contactos, relés y en
cables de conexión. Dispositivos como teléfonos inteligentes, calculadoras,
computadoras portátiles y de escritorio y televisores contienen pequeñas cantidades
de oro. Esto se da para permitir la salida del calor interno que generan las resistencias
de estos dispositivos, a manera de proteger la integridad y funcionalidad de estos, cosa
que es importante para todo dispositivo electrónico, poder liberar calor interior para
evitar pérdidas, sin embargo, el oro es un material sumamente costoso, sin embargo
es muy utilizado, pero se puede buscar materiales con características similares a las del
oro, menos costosos, aprovechando los aspectos estudiados en este proyecto.
De igual manera, considerado el mejor conductor conocido, está el diamante, el cual
sirve, al igual que el oro, para eliminar el calor generado por los circuitos de las
computadoras y otros dispositivos electrónicos, pero el diamante tiene la ventaja de
ser un buen aislante eléctrico, para estas aplicaciones, sin embargo, su costo es
tremendo y no es un material fácil de encontrar, por lo cual, es importante buscar
alternativas diferentes que cumplan estas características.
Así mismo, en el área de la ingeniería, es importante el uso de conductores de calor
ára la fabricación de intercambiadores de calor, sistemas de calefacción central,
radiadores de automóviles, entre otras aplicaciones; así mismo, en el trabajo a altas
temperaturas, como el trabajo que se da en calderos, es importante la utilización de
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aislantes térmicos para minimizar las pérdidas de energía por disipación de calor hacia
el ambiente a causa de la temperatura de este, muy baja en comparación, entonces, se
utilizan materiales aislantes para el recubrimiento de estas superficies, evitando
grandes pérdidas económicas por consumo de combustible; lo mismo que ocurre a la
hora de transportar un fluido caliente a través de una tubería, con el deseo de
mantener la temperatura de este fluido, se recubre todo el trayecto del transporte por
un aislante.
Así mismo, el estudio del aislamiento térmico, mediante el estudio de la conductividad
térmica, es muy importante por estas aplicaciones mencionadas, además de presentar
múltiples aplicaciones no mencionadas, como en los forjados, en los suelos, falsos
techos, entre otras.
La importancia de la conductividad térmica de los diferentes materiales lo vemos en el
día a día, como se mencionó, en las paredes y ventanas que nos rodean, en las mismas
movilidades muchas veces, en la cocina, en ingeniería, en muchas actividades
profesionales y cotidianas.
Siempre se busca mejorar y avanzar en el desarrollo social, económico y científico, por
lo cual es importante estudiar materiales poco convencionales, su conductividad, pero
además, sus diferentes características, ya que hay muchos aspectos a tener en cuenta,
como la influencia del punto de fusión, tal que, si se requiere de un conductor o
aislante sólido, un material de bajo punto de fusión es inútil porque pasará al estado
líquido tempranamente en cualquier proceso, es por eso que se debe saber
seleccionar muy bien qué materiales se estudiarán, pero queda clara la importancia de
estudiar la conductividad térmica y cómo medirla experimentalmente, de diferentes
materiales, sólidos, líquidos y gaseosos, ya que este proyecto conlleva justificaciones
económicas, sociales y ambientales, dados los múltiples beneficios que puede
conllevar para todos.
3. MARCO TEORICO
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3.2 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES
3.2.1Conductividad térmica
De acuerdo con lo ya visto en el apartado anterior, la conductividad térmica es
una propiedad física del material que indica la facilidad que tiene dicho material
para transmitir calor por conducción, es decir, por movimiento molecular.
Las unidades de la conductividad se pueden deducir a partir de la ecuación de
Fourier (ecuación 1):
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3.2.2 Conductividad térmica de los materiales homogéneos
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decrecientes. Esto explica la proporcionalidad que se observa entre la
conductividad térmica y eléctrica de los metales puros.
Los factores que afectan más a la conductividad de los metales son los
cambios de fase, la composición química y la temperatura, aunque el factor que
ejerce mayor influencia es la temperatura. En general, la conductividad térmica
de los metales puros disminuye con la temperatura, pero la presencia de
impurezas puede alterar esta tendencia.
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— Sólidos amorfos: En este caso, la disposición irregular de las moléculas
disminuye la transmisión de energía por choques moleculares. La
conductividad térmica es del mismo orden que los líquidos.
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— n: número de partículas por unidad de volumen.
— c: velocidad molecular media.
— camino libre medio recorrido por una molécula antes de que choque con
otra.
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En el caso de materiales no homogéneos, la conductividad térmica no es
uniforme en todo el volumen para unas condiciones dadas. La conductividad
puede presentar una variación anisótropa como consecuencia de una
preferencia direccional debido a la estructura fibrosa del material (como es el
caso de la madera y el asbesto). La conductividad también puede no ser
medible, bien por la estructura porosa (lana de vidrio, corcho), o bien debido a
que la estructura está compuesta de diferentes sustancias (hormigón, piedra,
ladrillo, etc); en estos casos se habla de «conductividad térmica aparente».
Ejemplos de materiales no homogéneos son los materiales aislantes, los
materiales de construcción y los materiales refractarios.
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El movimiento del fluido mejora la
transferencia de calor, ya que pone en
contacto porciones más calientes y más
frías de ese fluido, iniciando índices más
altos de conducción en un gran número
de sitios. Por lo tanto, la velocidad de la
transferencia de calor a través de un fluido
es mucho más alta por convección que
por conducción. De hecho, entre más alta
es la velocidad del fluido, mayor es la
velocidad de la transferencia de calor.
A pesar de la complejidad de la
convección, se observa que la razón de la
transferencia de calor por este mecanismo
es proporcional a la diferencia de
temperatura y se expresa de manera
conveniente por la ley de Newton de
enfriamiento como:
q conv =h ( ˙T s−T ∞ ) ¿ ¿
Donde:
h= coeficiente de transferencia de calor por convección, W/m2
Ts= temperatura de la superficie, ˚C
T ∞= temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie, ˚C
A juzgar por sus unidades, el coeficiente de transferencia de calor por convección h se
puede definir como la razón de la transferencia de calor entre una superficie sólida y
un fluido por unidad de área superficial por unidad de diferencia en la temperatura.
La conductividad térmica de los líquidos decrece a medida que aumenta su
temperatura, excepto en el caso del agua, pero el cambio es tan pequeño que, en la
mayor parte de las situaciones prácticas, la conductividad térmica se puede suponer
constante para ciertos intervalos de temperatura; asimismo, en los líquidos no hay una
dependencia apreciable con la presión, debido a que estos son prácticamente
incomprensibles.
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3.4 SÓLIDOS.
Los sólidos presentan dureza, en línea general los sólidos se muestran resistentes a
ser penetrados por otros sólidos, incluso
a que se ralle su superficie. Esto se
conoce como dureza, la fortaleza física
ante la acción de otros sólidos. La
materia más dura que se conoce es el
diamante.
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3.5 SÓLIDOS GRANULARES.
La materia granulada tal como arena, grava, polvos, productos farmacéuticos, mineral,
chancado, etc…, son sistemas con muchísimas partículas de tamaño visible, a las que
se denomina granos.
Los sistemas granulados lejos de ser
sistemas con propiedades simples,
tienen una variedad inmensa de
comportamientos complejos que los
diferencian de las categorías de sólidos,
líquidos o gases.
Por un lado, los materiales granulados
pueden fluir tal como lo vemos cada vez
que llenamos el azucarero, y por otro,
soportan nuestro peso como cuando
caminamos sobre arena.
Materia granulada sometida a vibración
puede mostrar patrones muy simétricos en su superficie; si se trata de una mezcla de
dos tipos de granos, la vibración puede hacer que se separen.
Los sólidos granulados, también tienen una aplicación en la transferencia de calor,
debido a que estos al igual que su par los solidos comunes, es decir aquellos que no
son granulados, son conductores de calor.
Un sólido granulado no suele ser tan buen conductor, como un sólido común, debido a
que estas presentan una pequeña deformación en la superficie de grano a grano del
sólido, lo que provoca indirectamente una resistencia por contacto, si bien esta
resistencia puede ser pequeña, esta resistencia es considerable, ya que los sólidos no
están en contacto directo con otro, razón por la cual el calor que fluye a través de
estos sólidos puede ser afectado por las pequeñas interfaces existentes entre cada
gránulo.
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3.5.1 CONDUCTIVIDAD EN SÓLIDOS Y SÓLIDOS GRANULARES.
La conductividad es la facilidad que tiene un material para dejar pasar energía, al mismo
tiempo es el único mecanismo para transferir calor en la materia sólida, este mecanismo
permite la propagación de calor tanto en sólidos y sólidos granulares.
La ecuación que rige tanto en sólidos como en sólidos granulares, es la ecuación de Fourier. La
cual viene expresa como:
Donde:
Donde:
Es muy importante recalcar que la conductividad en sólidos comunes suele ser mucho mayor
que en sólidos granulados, debido a que los sólidos granulados presentan una resistencia por
contacto debido a la diminuta falta de interacción entre las superficies de los sólidos
granulados.
3.6 ARDUINO.
El termistor NTC es un sensor de temperatura resistivo, el cual al cambiar su
temperatura, varía su resistencia eléctrica. Podemos aprovechar este efecto para
realizar mediciones de temperatura utilizando un divisor resistivo y las entradas
analógicas de nuestra placa arduino.
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Los materiales necesarios para la medición de temperatura, y posterior cálculo de
conductividad son:
- Arduino UNO R3 o similar.
- Protoboard miniatura.
- Cables o jumpers para protoboard.
- Termistor (Resistencia de coeficiente de temperatura negativo).
- Resistencia de 10 Kohm.
El termistor en un sensor que varía su resistencia eléctrica de manera dependiente a
la temperatura. Su funcionamiento se basa en el cambio de resistividad de un material
semiconductor de acuerdo a la temperatura.
Los termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) disminuyen su
resistencia cuando su temperatura aumenta, mientras que los termistores de
coeficiente de temperatura positivo aumentan su resistencia conforme aumenta su
temperatura.
Para poder determinar la temperatura utilizando un NTC, lo primero que debemos
realizar es conocer el valor de su resistencia eléctrica.
Una vez vez conocida la resistencia eléctrica desarrollaremos entonces un pequeño
programa que permita obtener la temperatura a partir de la resistencia eléctrica del
termistor NTC y hacer el posterior cálculo de la conductividad.
Dispositivo para
Arduino medir conductividad
Monitor
termica
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INICIO
Colocar aislante
Lleva r acabo el
experimento; Llegar a
es tado es taciona rio
De terminar e l coeficiente de
tra ns ferencia de ca lor por
conduccion.
Fin
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