Radiación Térmica

Preguntas y Respuestas sobre Conceptos Fundamentales

  1. Todas las formas de materia emiten radiación. Explique ¿cómo se considera la emisión de radiación para los gases y sólidos semitransparentes?
    R: Se considera como un fenómeno volumétrico, la radiación que emerge de un volumen finito de materia es el efecto integrado de la emisión local a través del volumen.
  2. ¿Qué parte del espectro electromagnético comprende la radiación térmica?
    R: La radiación térmica abarca principalmente el espectro infrarrojo (0.1-100 nm), incluyendo parte del visible (0.4-0.7 nm) y en cuerpos muy calientes, el ultravioleta cercano (menos de 0.4 nm).
  3. ¿En función de qué varía la magnitud de la radiación en cualquier longitud de onda y la distribución espectral?
    R: Temperatura: según la ley de Planck, la radiación aumenta con la temperatura. Longitud de onda: la intensidad varía según la distribución espectral de energía.
  4. Definición de la intensidad espectral de la radiación emitida:
    R: Es la energía radiante emitida por unidad de área, tiempo, ángulo sólido y longitud de onda en una dirección específica.
  5. Explique a qué se refiere la ley de Kirchhoff.
    R: Establece que, para un cuerpo en equilibrio térmico, la emisividad es igual a la absorbancia para cada longitud de onda y dirección, independientemente de las propiedades del cuerpo.
  6. Explique qué es un cuerpo negro.
    R: Es un objeto térmico que absorbe completamente toda la radiación incidente sin reflejar ni transmitir nada. Además, emite la máxima cantidad de radiación posible a cualquier temperatura y longitud de onda, siguiendo la ley de Planck.
  7. Explique a qué se refiere la ley de Wien.
    R: Lugar geométrico de la longitud de onda que corresponde a la emisión pico de un cuerpo negro.
  8. ¿A qué se refiere la potencia emisiva?
    R: Es la cantidad de energía radiante por unidad de área de una superficie en todas las direcciones y longitudes de onda.
  9. Explique qué es una superficie gris.
    R: Superficie por la cual la absorbancia espectral y la emisividad son independientes de la longitud de onda sobre las regiones.
  10. Definición de emisividad:
    R: Relación entre la radiación emitida por una superficie y la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura.

Ebullición y Condensación

Diferencias y Mecanismos de Cambio de Fase

  1. Diferencia entre evaporación y ebullición:
    R: La evaporación ocurre a cualquier temperatura cuando moléculas de la superficie del líquido adquieren suficiente energía para escapar al estado gaseoso. La ebullición, por otro lado, ocurre cuando toda la masa líquida alcanza la temperatura de saturación y el cambio de fase sucede dentro del líquido.
  2. ¿Qué es la condensación y cuáles son las condiciones para que ocurra?
    R: Es el cambio de fase de vapor a líquido que ocurre cuando el vapor entra en contacto con una superficie más fría o cuando se alcanza la temperatura de saturación a una presión específica.
  3. ¿Cómo se define el perímetro mojado en el flujo condensado y en qué difiere del perímetro común?
    R: Es la parte del perímetro de una superficie que está en contacto con el fluido condensado, excluyendo áreas no mojadas, lo cual afecta el análisis del flujo.
  4. Método para mejorar la transferencia de calor en la ebullición de estanque (alberca):
    R: Se puede aumentar la eficiencia mediante superficies rugosas, recubrimientos especiales o aditivos que promuevan la nucleación.
  5. Calor latente modificado de vaporización respecto al calor latente común:
    R: El calor latente modificado incorpora efectos adicionales como la capacidad calorífica del líquido y el gradiente de temperatura entre el líquido y el vapor, ajustando el valor para condiciones reales en vez de ideales.
  6. Mecanismos de cambio de fase, se caracteriza porque el líquido está en reposo y su movimiento cerca de la superficie se debe a la convección libre y a la mezcla inducida por el crecimiento de las burbujas y su separación:
    R: Ebullición de alberca.
  7. Mecanismos de cambio de fase, se caracteriza porque la temperatura del líquido está por debajo de la temperatura de saturación y las burbujas que se forman en la superficie se pueden condensar en el líquido:
    R: Ebullición subenfriada.
  8. Mecanismos de cambio de fase, se caracteriza porque el crecimiento y separación de burbujas están influenciados en alto grado por la velocidad de flujo, y los efectos hidrodinámicos difieren en forma significativa de los correspondientes a la ebullición de alberca:
    R: Ebullición de convección forzada interna.
  9. Se caracteriza porque el vapor se condensa como gotas suspendidas en una fase gaseosa para formar neblina:
    R: Condensación homogénea.
  10. ¿Cuándo ocurre la ebullición?
    R: La ebullición ocurre cuando la temperatura de un líquido alcanza su punto de saturación y supera el exceso de temperatura requerido para que el líquido cambie de fase de líquido a vapor. Esto generalmente está influenciado por la presión del sistema y las condiciones de calor aplicadas.
  11. ¿Por qué se ve influenciado el crecimiento y separación de burbujas en el flujo bifásico?
    R: En el flujo bifásico, el crecimiento y la separación de burbujas están altamente influenciados por la velocidad del flujo y los efectos hidrodinámicos, los cuales afectan la formación de diferentes patrones de flujo y dificultan el desarrollo de teorías generalizadas. Esto se observa, por ejemplo, en regímenes de flujo anular, burbujeante o niebla.
  12. ¿Qué es la condensación homogénea?
    R: La condensación homogénea ocurre cuando un vapor se condensa como gotas suspendidas en la fase gaseosa, formando una niebla. Esto suele suceder debido a un aumento de presión relacionado con la expansión.
  13. ¿A qué se debe la ebullición por convección forzada?
    R: La ebullición por convección forzada ocurre cuando un líquido fluye a través de una superficie caliente. El movimiento del fluido intensifica la transferencia de calor, lo que promueve la formación de burbujas y aumenta la transferencia de calor debido al flujo combinado de convección y generación de vapor.
  14. Experimento de Nukiyama para identificar regímenes de ebullición de alberca:
    R: El experimento de Nukiyama utilizó un alambre calentado para observar cómo el flujo de calor cambia a medida que la temperatura de la superficie supera la temperatura de saturación del líquido. Este experimento identificó regímenes de ebullición como nucleada, de transición y de película, mostrando puntos críticos como el flujo de calor máximo y el punto de Leidenfrost.
  15. Parámetros importantes además del calor latente para ebullición y condensación:
    R: Parámetros como la presión, temperatura de saturación, características del fluido (viscosidad, tensión superficial, conductividad térmica) y el diseño del sistema (como la rugosidad de la superficie y el flujo) son críticos para determinar la eficiencia de los procesos.
  16. Número Jakob:
    R: El número Jakob es un parámetro adimensional que relaciona la energía térmica sensible de un líquido al calor latente durante un cambio de fase.
  17. ¿Cómo ocurre la condensación?
    R: La condensación ocurre cuando la temperatura de un vapor desciende por debajo de su temperatura de saturación. Esto puede suceder al contacto con una superficie fría, donde el calor se transfiere a la superficie y el vapor se convierte en líquido, formando ya sea una película o gotas.
  18. ¿Qué es la ebullición?
    R: Es el proceso en el cual un líquido pasa a estado gaseoso mediante la formación de burbujas dentro del líquido, lo que ocurre cuando la temperatura del líquido alcanza el punto de ebullición.
  19. ¿Qué es la evaporación?
    R: Es el proceso de cambio de fase de líquido a vapor que ocurre en la superficie del líquido, incluso a temperaturas por debajo del punto de ebullición.
  20. ¿En qué condiciones se presenta el punto de Leidenfrost?
    R: Ocurre cuando una superficie está significativamente más caliente que el punto de ebullición del líquido, formando una capa de vapor que aísla térmicamente al líquido.
  21. Suposiciones de Nusselt para la condensación de película:
    R: Considera flujo laminar, propiedades constantes del fluido, y que la película condensada es delgada y su movimiento está impulsado por la gravedad.
  22. ¿En qué consiste y por qué se da el flujo bifásico?
    R: Es un flujo que contiene dos fases (líquido y gas) simultáneamente, común en procesos de ebullición y condensación, causado por diferencias de densidad y tensión superficial.
  23. ¿Para qué se usa el calor latente modificado de vaporización?
    R: Se utiliza para considerar las variaciones de temperatura y presión que afectan el proceso de vaporización, permitiendo cálculos más precisos.
  24. ¿Qué representa el número de Bond?
    R: Representa la relación entre las fuerzas de gravedad y las fuerzas de tensión superficial.
  25. ¿Qué es un tubo de calor?
    R: Es un dispositivo que transfiere calor con alta eficiencia mediante la evaporación y condensación de un fluido interno.
  26. ¿Cuáles son los efectos de la presencia de gases no condensables en los condensadores?
    R: Disminuyen el coeficiente de transferencia de calor y aumentan la resistencia térmica en el proceso de condensación.
  27. ¿En qué difiere la ebullición y la condensación de otras formas de convección?
    R: Ambas implican un cambio de fase, lo que permite transferencias de calor más altas con menores diferencias de temperatura.
  28. ¿En qué condiciones se presenta el punto de Leidenfrost?
    R: Ocurre cuando una superficie está significativamente más caliente que el punto de ebullición del líquido, formando una capa de vapor que aísla térmicamente al líquido.
  29. ¿En qué difiere la ebullición de película de la ebullición nuclear?
    R: La ebullición de película forma una capa de vapor continua que reduce la transferencia de calor, mientras que en la ebullición nuclear las burbujas se forman y colapsan rápidamente, facilitando una transferencia de calor eficiente.
  30. ¿Bajo qué condiciones se presenta la condensación?
    R: Ocurre cuando un vapor entra en contacto con una superficie más fría o cuando se alcanza la temperatura de saturación a una presión dada.
  31. ¿De qué manera la presencia de un gas no condensable en un vapor influye sobre el coeficiente de transferencia de calor?
    R: Disminuye el coeficiente de transferencia de calor al actuar como una barrera que aumenta la resistencia térmica.
  32. ¿Bajo qué condiciones se realiza el cálculo del diseño de condensadores?
    R: Se consideran la presión, temperatura de saturación, presencia de gases no condensables, y propiedades del fluido para maximizar la eficiencia del proceso.