Date post: | 10-Feb-2016 |
Category: |
Documents |
Upload: | eduardo-e-castro-r |
View: | 9 times |
Download: | 0 times |
Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educacion Superior
Universidad Nacional Experimental “Simon Rodriguez”
Canoabo Estado Carabobo
Laboratorio de Operaciones de Ingenieria III
Noviembre, 2013
Facilitador
Ing. Maria Paredes
Participantes
Ivan Lysyj
Jose Hernandez
Maryelli Silva
Objetivo General
Estudio de la Transferencia de Calor por Radiación.
Objetivos Específicos
Comprobar la Ley de Stefan-Boltzman.
Comprobar la Ley del cuadrado inverso de la distancia en longitud de
onda visible.
Revisión bibliográfica
Radiación
Es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta temperatura a un
cuerpo de baja temperatura, cuando están separados por un espacio que incluso puede
ser el vacío. El termino de radiación es generalmente aplicado a todas las clases de
fenómenos de ondas electromagnéticas, pero en transferencia de calor únicamente son
de interés los fenómenos que son resultado de la temperatura y por medio de los
cuales se establece un transporte de energía a través de un medio transparente o a
través del espacio, por esta razón se limita al rango de las ondas de luz visible,
Ultravioleta e infrarroja.
Tipos de Radiación
Radiación Térmica.
Radiación Electromagnética.
Radiación Ionizante.
Radiación solar.
Radiación de cuerpo negro.
La radiación según su tipo es de gran utilidad e importancia en la industria
desde la creación de energía, la esterilización de alimentos, potabilización del agua,
para conocer la composición interna de diversos materiales, para detectar errores de
fabricación y ensamblaje, entre otras.
Potencia Emisiva
Corresponde a la cantidad total de energía radiante de todas las longitudes de
onda emitidas por un cuerpo por unidad de área y de tiempo, se puede decir que es la
potencia emisiva total (E) w/ (Hr m2). Si la intensidad de la energía radiante a
cualquier longitud de onda es Iλ w /(Hr m2) (micrón), la potencia emisiva total es el
área bajo la curva y puede ser definida por:
E = λlo Iλ dλ
La relación entre Iλ y λ fue estudiada en muchas oportunidades, Planck fue
el primero que reconoció la naturaleza cuantitativa de la energía radiante y desarrolló
una ecuación que se adapta a la curva de energía espectral a cualquier temperatura.
Viene dada por:
Iλ =
C1 l-5
ec2/ λTC-1
Donde:
Iλ = Intensidad de emisión monocromática, w/ (h) (m2) (micrón)
λ = Longitud de onda, micrones.
C1 y C2 = constantes con valores 3..22x108 Kcal 4 /(Hr m2) y 14386.67
°K
T = temperatura del cuerpo °k (Kreith, 1.970).
Ley de Stefan – Boltzman
Los sólidos, líquidos y algunos gases (especialmente el vapor de agua, y los
hidrocarburos) emiten radiación térmica como resultado de su temperatura. Esta ley
establece que la potencia emisiva de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta
potencia de la temperatura absoluta del mismo y también se denomina como ley de
cuarta potencia de la temperatura. Un emisor ideal, al que se llama cuerpo negro,
emite radiación térmica de acuerdo a la ecuación de Stefan – Boltzman.
eb = σ T4
Siendo:
eb : potencia emisiva de un cuerpo negro, energía / (tiempo x superficie).
σ: constante de Stefan – Boltzman, 4,92 * 10-8 Kcal / (Hr * m2 * K4).
T: temperatura de la superficie del cuerpo negro, temperatura absoluta.
Cuerpo Negro
Son aquellos cuerpos “ideales” que emiten y absorben el máximo posible de
una radiación dada. Se dice que las superficies mates oscuras se aproximan en su
comportamiento al de los cuerpos negros. Para el cuerpo negro ideal α = 1 y por ende
e = 1 siendo e la emisividad de su superficie. Es aquel que como emisor es capaz de
emitir toda la energía como radiación en toda la longitud de ondas y frecuencia
característica. Este cuerpo emite radiación según la ecuación de Stefan Boltzman
E b = σ T 4
Influencia de la Temperatura en la Potencia Emisiva: Ley de Stefan
Boltzman
Si un cuerpo negro perfecto radia energía, la radiación de energía total puede
ser determinada por la ley de Planck. Principiando con la ecuación de cuerpo negro
monocromático:
Ι λ=C1 λ
−5
eC2
λΤ−1
Puede ser aplicada para sumar toda la energía por integración del área bajo la
curva de intensidad de radiación monocromática para un cuerpo caliente a diferentes
temperaturas.
Ley de cuadrado inverso
Esta ley estable que la cantidad de calor recibida por un cuerpo es
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa al emisor del
receptor (dq1, 2 ≈1 / r2). Tomando en cuenta lo anterior se puede decir:
hr = ơ Asup (T14 – T24)
Donde:
hr = Coeficiente de transferencia por radiación, energía /tiempo x superficie x D temperatura.
T1 = Temperatura del emisor, temperatura absoluta.
T2 = Temperatura del receptor (alrededores), temperatura absoluta.
Descripción del equipo
El equipo está constituido por una mesa de trabajo sobre la cual se dispone las
siguientes partes:
Fuentes de energía radiante, la cuales son: horno eléctrico (mufla) y
cuerpo aproximadamente negro ideal.
Una fuente de calor cilíndrica montada sobre un mástil vertical y
ajustable, previsto con una armadura con un cuerpo negro de absorción
y remisión.
Una fuente de calor plana provista con varias tarjetas de absorción,
remisión y reflexión negra, gris o blanca características y varios
niveles de energía libre de superficie.
Una fuente puntual de emisión de calor
Una fuente puntual de luz
Una serie de instrumento a saber:
Un conjunto de termopares de cromo-aluminio estratégicamente
distribuidos conectados a unos bornes
Un potenciómetro registrados digital
Un pirómetro óptico (termopila) con dos ejes de dirección sensitiva
Una celda fotoeléctrica con un galvanómetro integrado.
Dos canales graduados, guía para la colocación de instrumentos en la
practica
Una serie de accesorio para la experimentación en radiación
Medidas de seguridad
Verificar que el suministro de corriente sea adecuado para la
activación del equipo previniendo las subidas y bajadas de tensión
Encender el equipo con anticipación para así asegurar su estabilidad.
Evitar la presencia de cuerpos extraños dentro del área de trabajo para
asegurar la estabilidad del equipo
No arroje agua sobre los circuitos eléctricos.
No coloque la termopila directamente sobre la fuente de calor.
Colocar la protección del Fotosensor y termopila luego de usarlos.
No tocar las fuentes de calor.
Las normas generales de uso laboratorio de planta piloto.
Método operatorio
Ley de Stefan – Boltzmann
Activar el sistema de energía
Activar el horno cuadrado
Regular por medio del reóstato el porcentaje de potencias de trabajo
Una vez alcanzado el estado estacionario tomar la lectura de la placa
con el potenciómetro y tomar la energía emitida con la termopila
conectada al potenciómetro.
Repetir el procedimiento a diferentes potencias de trabajo
Realizar los cálculos típicos en el laboratorio
Ley del cuadrado inverso de la distancia
Luz Visible
Activar el sistema de luz puntual
Regular por medio del reóstato el porcentaje de potencias de trabajo
Medir la energía emitida por la luz puntual para cada distancia dada
por el sensor. Cambiar el tubo de corto a largo, cuando no se registre
señal
Repetir el procedimiento a diferentes potencias de trabajo
Realizar los cálculos típicos en el laboratorio
Luz Infrarrojo
Activar el horno cuadrado
Regular por medio del reóstato el porcentaje de potencias de trabajo
Una vez alcanzado el estado estacionario medir con la termopila-
potenciómetro la energía emitida por la placa a diferentes distancias.
Repetir el procedimiento a diferentes potencias de trabajo.
Datos experimentales
Cuadro 1. Datos para comprobar la ley del cuadrado de la distancia en los
tubos largo y corto con una potencia de 100 Watt
Potencia (Watt) Tubo corto (intensidad) mA
Distancia cm Tubo largo (intensidad) mA
Distancia cm
100
50 10 16 2522 13 16 2814 15 16 3012 16 14 338 17 9 377 18 4 406 19 2 435 20 1 454 21 0 473 23
Temperatura: 200 °C2 251 280 30
Cuadro 2. Datos para la representación grafica en la demostración de la Ley
del Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. (Potencia 100
Watt)
Distancia (cm) Fotosensor(MA) Log, Distancia (cm) Log. Fotosensor (MA)10 50 1 1,713 22 1,11 1,3415 14 1,17 1,1516 12 1,2 1,0817 8 1,23 0,918 7 1,25 0,8519 6 1,28 0,7820 5 1,3 0,6921 4 1,32 0,623 3 1,36 0,4725 2 1,4 0,328 1 1,44 030 0 1,48 -
Grafica # 1: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. Potencia: 100 Watt
(fotosensor vs distancia)
10 13 15 16 17 18 19 20 21 23 250
10
20
30
40
50
60
f(x) = − 3.29090909090909 x + 31.8363636363636
Grafica # 2: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. Potencia: 100 Watt
(Log. Fotosensor vs Log. Distancia)
1 1.11 1.17 1.2 1.23 1.25 1.28 1.3 1.32 1.36 1.40
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
f(x) = − 0.118454545454545 x + 1.60709090909091
Cuadro 3. Datos para la representación grafica en la demostración de la Ley
del Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. (Potencia: 100
Watt)
Fotosensor (mA) Distancia cm Log. Fotosensor (mA) Log. Distancia (cm)
16 25 1,2 1,416 28 1,2 1,4516 30 1,2 1,4814 33 1,15 1,529 37 0,95 1,574 40 0,6 1,62 43 0,3 1,631 45 0 1,650 47 - 1,67
Grafica # 3: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. Potencia: 100 Watt
(Fotosensor vs Distancia)
25 28 30 33 37 40 43 45 470
2
4
6
8
10
12
14
16
18f(x) = − 2.57142857142857 x + 21.3214285714286
Grafica # 4: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. Potencia: 100 Watt
(Log. fotosensor vs Log. Distancia)
1.4 1.45 1.48 1.52 1.57 1.6 1.63 1.65 1.670
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4f(x) = − 0.177380952380952 x + 1.62321428571429
Cuadro 4. Datos para comprobar la ley del cuadrado de la distancia en los
tubos largo y corto con una potencia de 90 Watt
Potencia (Watt) Tubo corto (intensidad) mA
Distancia cm Tubo largo (intensidad) mA
Distancia cm90
28 10 18 2515 13 12 2710 15 10 308 16 8 337 17 5 376 18 2 405 19 0 434 20
Temperatura: 176 °C3 222 251 280 30
Cuadro 5. Datos para la representación grafica en la demostración de la Ley
del Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. (Potencia 90
Watt)
Fotosensor (mA) Distancia cm Log. Fotosensor (mA) Log. Distancia (cm)
28 10 1,45 115 13 1,18 1,1110 15 1 1,188 16 0,9 1,27 17 0,85 1,236 18 0,78 1,265 19 0,7 1,294 20 0,6 1,33 22 0,48 1,342 25 0,3 1,41 28 0 1,450 30 - 1,48
Grafica # 5: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. Potencia: 90 Watt
(fotosensor vs distancia)
10 13 15 16 17 18 19 20 22 25 28 300
5
10
15
20
25
30
f(x) = − 1.83566433566434 x + 19.3484848484848
Grafica # 6: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. Potencia: 90 Watt
(Log. Fotosensor vs Log. Distancia)
1 1.11 1.18 1.2 1.23 1.26 1.29 1.3 1.34 1.4 1.45 1.480
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
f(x) = − 0.118909090909091 x + 1.46254545454545
Cuadro 6. Datos para la representación grafica en la demostración de la Ley
del Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. (Potencia 90
Watt)
Fotosensor (mA) Distancia cm Log. Fotosensor (mA) Log. Distancia (cm)
18 25 1,26 1,412 27 1,08 1,4310 30 1 1,488 33 0,9 1,525 37 0,7 1,572 40 0,3 1,60 43 1,63
Grafica # 7: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. Potencia: 90 Watt
(Fotosensor vs Distancia)
25 27 30 33 37 40 430
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
f(x) = − 2.82142857142857 x + 19.1428571428571
Grafica # 8: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. Potencia: 90 Watt
(Log. fotosensor vs Log. Distancia)
1.4 1.43 1.48 1.52 1.57 1.6 1.630
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
f(x) = − 0.172571428571429 x + 1.47733333333333
Cuadro 7. Datos para comprobar la ley del cuadrado de la distancia en los
tubos largo y corto con una potencia de 80 Watt.
Potencia (Watt) Tubo corto (intensidad) mA
Distancia cm Tubo largo (intensidad) mA
Distancia cm
80
30 10 10 2514 13 8 289 15 8 308 16 6 344 18 4 363 20 2 382 22 1 401 24 0 430 26 Temperatura: 166°C
Cuadro 8. Datos para la representación grafica en la demostración de la Ley
del Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. (Potencia 80
Watt)
Fotosensor (mA) Distancia cm Log. Fotosensor (mA)
Log. Distancia (cm)
30 10 1,48 114 13 1,15 1,119 15 0,95 1,188 16 0,9 1,24 18 0,6 1,263 20 0,48 1,32 22 0,3 1,341 24 0 1,380 26 1,41
Grafica # 9: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. Potencia: 80 Watt
(Fotosensor vs Distancia)
10 13 15 16 18 20 22 24 260
5
10
15
20
25
30
35
f(x) = − 2.96666666666667 x + 22.7222222222222
Grafica # 10: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo corto. Potencia: 80 Watt
(Log. fotosensor vs Log. Distancia).
1 1.11 1.18 1.2 1.26 1.3 1.34 1.38 1.410
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
f(x) = − 0.194285714285714 x + 1.60678571428571
Cuadro 9. Datos para la representación grafica en la demostración de la Ley
del Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. (Potencia 80
Watt)
Fotosensor (mA) Distancia cm Log. Fotosensor (mA) Log. Distancia (cm)
10 25 1 1,48 28 0,9 1,458 30 0,9 1,486 34 0,77 1,534 36 0,6 1,562 38 0,3 1,581 40 0 1,60 43 1,63
Grafica # 11: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. Potencia: 80 Watt
(Fotosensor vs Distancia)
25 28 30 34 36 38 40 430
2
4
6
8
10
12
f(x) = − 1.48809523809524 x + 11.5714285714286
Grafica # 12: representación grafica en la demostración de la Ley del
Cuadrado Inverso de la distancia para Luz Visible en tubo largo. Potencia: 80 Watt
(Log. fotosensor vs Log. Distancia)
1.4 1.45 1.48 1.53 1.56 1.58 1.6 1.630
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
f(x) = − 0.160714285714286 x + 1.28142857142857
Cuadro 10. Datos para comprobar la ley de Stefan- Boltzmann
Potencia Temperatura del horno ºC
Termopila (mV) Voltaje del equipo
Termopila (voltios)
100 200 2,1 130 210090 174 1,6 116 160086 166 1,3 110 130084 156 1,2 105 120079 149 0,9 100 900
Cuadro 11. Datos para la representación grafica en la comprobación de la
Ley de Stefan-Boltzmann
Temperatura (°C) Voltaje (mV) Lg. Temeperatura Lg. Voltaje200 2,1 2.30 0,32174 1,6 2.24 0,20166 1,3 2.22 0,11156 1,2 2.19 0,07149 0,9 2.17 -0.04
Grafica # 13: Representación grafica para la demostración de la Ley de
Stefan y Boltzmann ( Voltaje Vs Temperatura ).
200 174 166 156 1490
0.5
1
1.5
2
2.5
f(x) = − 0.28 x + 2.26
Grafica # 14: Representación grafica para la demostración de la Ley de
Stefan y Boltzmann ( Log. voltaje Vs Log. Temperatura ).
2.30 2.24 2.22 2.19 2.170
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
f(x) = − 0.077 x + 0.371
Discusión de resultados
La ley de Stefan y Boltzmann establece que la potencia emisiva de un cuerpo
negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del mismo. Esta
ley también es denominada como la ley de la cuarta potencia de la temperatura En la
practica esta ley se puede demostrar mediante la representación grafica de la variables
obtenidas, que corresponden al voltaje de la termopila en función de la temperatura
Dicha comprobación grafica se realiza mediante el calculo de la pendiente. Esta ley
se puede demostrar en la práctica mediante la representación grafica de la variables
obtenidas, que corresponden al voltaje de la termopila en función de la temperatura
(ver graficas 13 y 14). Se sabe que dicha comprobación grafica se realiza mediante el
calculo de la pendiente; cuyo valor debería ser cuatro (4) o muy cercano a este (ya sea
tanto por debajo o por encima ).
El valor obtenido de la pendiente para la potencia de 100W esta muy por
encima del valor esperado siendo el mismo de – 0,28 (grafica 13). Por lo que se
infiere que hubo problemas de cálculo, o de recolección de datos (lectura poco
exacta) por parte de los participantes o el mal estado en que se encuentra el equipo
donde se realizo la práctica. En cuanto a la comprobación de la Ley del Cuadrado
Inverso de la Distancia para Luz Visible tanto para tubo corto y tubo largo, se
utilizaron los datos de las distintas lecturas realizadas para tres potencias (100, 90 y
80)Watt respectivamente durante la experiencia (ver graficas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10, 11, 12) y se graficaron obteniendo así representaciones de las perdidas de calor
durante el proceso.
Al realizarse el análisis correspondiente de las distintas graficas, a nivel
general, se puede observar que la energía absorbida es directamente proporcional a la
distancia en que se encuentre el fotosensor; es decir a mayor distancia entre el
fotosensor y la fuente de luz visible menor será la intensidad de corriente que este
capte. Pero al realizar una comparación entre el comportamiento de las graficas
realizadas para los datos obtenidos al utilizar un tubo corto y un tubo largo (gráficas
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) se observa que hay una mayor retención de
energía en el tubo largo, ya que dicha energía se concentra más en este, y por
consiguiente se observa mayor estabilidad en éstas gráficas que en las del tubo corto
que su aspecto es mas descendiente. Al realizar los cálculos para la pendiente se
obtuvieron valores muy lejanos de los esperados, ya que en la primera lectura a
potencia 100W para tubo corto, el valor de dicha pendiente fue de -3,29; mientras que
para tubo largo fue de - 2,57 (Ver graficas 1,3), los cuales se acercan al valor para la
comprobación de la ley del cuadro inverso de la distancia de la luz visible, que este
tenga un valor igual o cercano a negativo dos (-2).
Conclusiones
La energía absorbida por el fotosensor es inversamente proporcional a
la distancia, es decir a mayor distancia de la fuente de luz visible,
menor cantidad de energía absorbida.
El fotosensor colocándole el cilindro largo absorbe mayor energía que
al colocarle el cilindro corto.
La energía radiada por un cuerpo negro perfecto es proporcional a la
cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo.