Conduccion en R´ egimen Transitorio´T C ( t ) T 1 Conduccion en R´ egimen Transitorio´...
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`
TC(t)
T∞
Conduccion en Regimen Transitorio
Departamento de Ingenierıa Mecanica Facultad de IngenierıaUniversidad de Buenos Aires
5 de mayo de 2020
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 1 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.
Problema general de difusion.2 Evolucion hacia el equilibrio
termicoSolidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniforme
Conduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinito
Soluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.
Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibriotermico
Solidos de TemperaturaUniformeConduccion en un solidosemi-infinitoSoluciones completas
Respuesta termica de un solidoinfinito.Casos simples de regimentransitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas deTemperatura
Solido semi-infinito sometido auna temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno enmovimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 2 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibrio termicoSolidos de Temperatura UniformeConduccion en un solido semi-infinitoSoluciones completasRespuesta termica de un solido infinito.Casos simples de regimen transitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas de TemperaturaSolido semi-infinito sometido a una temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno en movimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 3 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
En el planteo general de Conduccion, habıamos llegado a la siguienteecuacion:
∂T∂t
= a∇2T (1)donde T es Temperatura, t es tiempo ya es la difusividad del material.
Los problemas que se estudian en este caso son de dos tipos:
Cuerpos que evolucionan hacia un equilibrio termico(calentamientos o enfriamientos).
Cuerpos que estan sometidos a variaciones periodicas deTemperatura.
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Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
En el planteo general de Conduccion, habıamos llegado a la siguienteecuacion:
∂T∂t
= a∇2T (1)donde T es Temperatura, t es tiempo ya es la difusividad del material.
Los problemas que se estudian en este caso son de dos tipos:
Cuerpos que evolucionan hacia un equilibrio termico(calentamientos o enfriamientos).
Cuerpos que estan sometidos a variaciones periodicas deTemperatura.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 4 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
En el planteo general de Conduccion, habıamos llegado a la siguienteecuacion:
∂T∂t
= a∇2T (1)donde T es Temperatura, t es tiempo ya es la difusividad del material.
Los problemas que se estudian en este caso son de dos tipos:
Cuerpos que evolucionan hacia un equilibrio termico(calentamientos o enfriamientos).
Cuerpos que estan sometidos a variaciones periodicas deTemperatura.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 4 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
Dos vıas de resolucion:
Metodos matematicos clasicos que nos dan una solucion analıtica.
Metodos numericos que se basan en una discretizacion del dominio deestudio.
Para que el problema sea resoluble:
Condiciones geometricas: Formas y dimensiones del cuerpo, materialcon propiedades uniformes.
Propiedades fısicas: Es necesario conocer las propiedades fısicas delmaterial y su variacion con la temperatura.
Condiciones Iniciales: El campo de temperaturas en el instante inicialdebe ser dato.
Condiciones de Contorno o Frontera: Definen la interaccion de las piezascon el entorno.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 5 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
Dos vıas de resolucion:
Metodos matematicos clasicos que nos dan una solucion analıtica.
Metodos numericos que se basan en una discretizacion del dominio deestudio.
Para que el problema sea resoluble:
Condiciones geometricas: Formas y dimensiones del cuerpo, materialcon propiedades uniformes.
Propiedades fısicas: Es necesario conocer las propiedades fısicas delmaterial y su variacion con la temperatura.
Condiciones Iniciales: El campo de temperaturas en el instante inicialdebe ser dato.
Condiciones de Contorno o Frontera: Definen la interaccion de las piezascon el entorno.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 5 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
Dos vıas de resolucion:
Metodos matematicos clasicos que nos dan una solucion analıtica.
Metodos numericos que se basan en una discretizacion del dominio deestudio.
Para que el problema sea resoluble:
Condiciones geometricas: Formas y dimensiones del cuerpo, materialcon propiedades uniformes.
Propiedades fısicas: Es necesario conocer las propiedades fısicas delmaterial y su variacion con la temperatura.
Condiciones Iniciales: El campo de temperaturas en el instante inicialdebe ser dato.
Condiciones de Contorno o Frontera: Definen la interaccion de las piezascon el entorno.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 5 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
Dos vıas de resolucion:
Metodos matematicos clasicos que nos dan una solucion analıtica.
Metodos numericos que se basan en una discretizacion del dominio deestudio.
Para que el problema sea resoluble:
Condiciones geometricas: Formas y dimensiones del cuerpo, materialcon propiedades uniformes.
Propiedades fısicas: Es necesario conocer las propiedades fısicas delmaterial y su variacion con la temperatura.
Condiciones Iniciales: El campo de temperaturas en el instante inicialdebe ser dato.
Condiciones de Contorno o Frontera: Definen la interaccion de las piezascon el entorno.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 5 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
Dos vıas de resolucion:
Metodos matematicos clasicos que nos dan una solucion analıtica.
Metodos numericos que se basan en una discretizacion del dominio deestudio.
Para que el problema sea resoluble:
Condiciones geometricas: Formas y dimensiones del cuerpo, materialcon propiedades uniformes.
Propiedades fısicas: Es necesario conocer las propiedades fısicas delmaterial y su variacion con la temperatura.
Condiciones Iniciales: El campo de temperaturas en el instante inicialdebe ser dato.
Condiciones de Contorno o Frontera: Definen la interaccion de las piezascon el entorno.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 5 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
Dos vıas de resolucion:
Metodos matematicos clasicos que nos dan una solucion analıtica.
Metodos numericos que se basan en una discretizacion del dominio deestudio.
Para que el problema sea resoluble:
Condiciones geometricas: Formas y dimensiones del cuerpo, materialcon propiedades uniformes.
Propiedades fısicas: Es necesario conocer las propiedades fısicas delmaterial y su variacion con la temperatura.
Condiciones Iniciales: El campo de temperaturas en el instante inicialdebe ser dato.
Condiciones de Contorno o Frontera: Definen la interaccion de las piezascon el entorno.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 5 / 44
Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
Dos vıas de resolucion:
Metodos matematicos clasicos que nos dan una solucion analıtica.
Metodos numericos que se basan en una discretizacion del dominio deestudio.
Para que el problema sea resoluble:
Condiciones geometricas: Formas y dimensiones del cuerpo, materialcon propiedades uniformes.
Propiedades fısicas: Es necesario conocer las propiedades fısicas delmaterial y su variacion con la temperatura.
Condiciones Iniciales: El campo de temperaturas en el instante inicialdebe ser dato.
Condiciones de Contorno o Frontera: Definen la interaccion de las piezascon el entorno.
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Ecuacion de Fourier.Condiciones de Contorno.
Condiciones de Contorno
A Distribucion de Temperaturas en el contorno
T(xs, ys,zs) = T1
B Densidad de Flujo de calor en la Superficie de control.
−λ∂T∂n
= qs
C Conveccion entre la superficie del cuerpo y un fluido.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 6 / 44
Ecuacion de Fourier.Condiciones de Contorno.
Condiciones de Contorno
A Distribucion de Temperaturas en el contorno
T(xs, ys,zs) = T1
B Densidad de Flujo de calor en la Superficie de control.
−λ∂T∂n
= qs
C Conveccion entre la superficie del cuerpo y un fluido.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 6 / 44
Ecuacion de Fourier.Condiciones de Contorno.
Condiciones de Contorno
A Distribucion de Temperaturas en el contorno
T(xs, ys,zs) = T1
B Densidad de Flujo de calor en la Superficie de control.
−λ∂T∂n
= qs
C Conveccion entre la superficie del cuerpo y un fluido.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 6 / 44
Ecuacion de Fourier.Condiciones de Contorno.
D Temperatura del entorno y la ley de transmision de calor por radiacionentre la superficie y el entorno.
−λ∂T∂n
= σ(T4 − T4∞)
E Resistencia termica a la conduccion en la superficie de separacion entresolidos.
−λ1∂T1
∂n= −λ2
∂T2
∂n
−λ∂T∂n
= α(T − T2)
conα =
λ
e=
cond. de la pelic.espesor de la pelic.
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Ecuacion de Fourier.Condiciones de Contorno.
D Temperatura del entorno y la ley de transmision de calor por radiacionentre la superficie y el entorno.
−λ∂T∂n
= σ(T4 − T4∞)
E Resistencia termica a la conduccion en la superficie de separacion entresolidos.
−λ1∂T1
∂n= −λ2
∂T2
∂n
−λ∂T∂n
= α(T − T2)
conα =
λ
e=
cond. de la pelic.espesor de la pelic.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 7 / 44
Ecuacion de Fourier.Condiciones de Contorno.
D Temperatura del entorno y la ley de transmision de calor por radiacionentre la superficie y el entorno.
−λ∂T∂n
= σ(T4 − T4∞)
E Resistencia termica a la conduccion en la superficie de separacion entresolidos.
−λ1∂T1
∂n= −λ2
∂T2
∂n
−λ∂T∂n
= α(T − T2)
conα =
λ
e=
cond. de la pelic.espesor de la pelic.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 7 / 44
Ecuacion de Fourier.Condiciones de Contorno.
D Temperatura del entorno y la ley de transmision de calor por radiacionentre la superficie y el entorno.
−λ∂T∂n
= σ(T4 − T4∞)
E Resistencia termica a la conduccion en la superficie de separacion entresolidos.
−λ1∂T1
∂n= −λ2
∂T2
∂n
−λ∂T∂n
= α(T − T2)
conα =
λ
e=
cond. de la pelic.espesor de la pelic.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 7 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibrio termicoSolidos de Temperatura UniformeConduccion en un solido semi-infinitoSoluciones completasRespuesta termica de un solido infinito.Casos simples de regimen transitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas de TemperaturaSolido semi-infinito sometido a una temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno en movimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 8 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Coordenadas.
Geometrıa plana (flujo segun la coordenada cartesiana x)
∂T∂t
= a∂2T∂x2
Geometrıa cilındrica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r∂
∂r
(r∂T∂r
)Geometrıa esferica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r2∂
∂r
(r2∂T∂r
)T(x, t) = X(x)T(t) o T(r, t) = R(r)T(t)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 9 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Coordenadas.
Geometrıa plana (flujo segun la coordenada cartesiana x)
∂T∂t
= a∂2T∂x2
Geometrıa cilındrica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r∂
∂r
(r∂T∂r
)
Geometrıa esferica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r2∂
∂r
(r2∂T∂r
)T(x, t) = X(x)T(t) o T(r, t) = R(r)T(t)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 9 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Coordenadas.
Geometrıa plana (flujo segun la coordenada cartesiana x)
∂T∂t
= a∂2T∂x2
Geometrıa cilındrica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r∂
∂r
(r∂T∂r
)Geometrıa esferica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r2∂
∂r
(r2∂T∂r
)
T(x, t) = X(x)T(t) o T(r, t) = R(r)T(t)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 9 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Coordenadas.
Geometrıa plana (flujo segun la coordenada cartesiana x)
∂T∂t
= a∂2T∂x2
Geometrıa cilındrica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r∂
∂r
(r∂T∂r
)Geometrıa esferica (flujo segun la coordenada radial r)
∂T∂t
=1r2∂
∂r
(r2∂T∂r
)T(x, t) = X(x)T(t) o T(r, t) = R(r)T(t)
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Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
T∞ Rconv Q Rcond Ti
Rconv =1αS
Rcond =1
4πλ
(1
R1− 1
R2
)
Si, p.ej. λ = λmetal.Rcond � Rconv.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 10 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
T∞ Rconv Q Rcond Ti
Rconv =1αS
Rcond =1
4πλ
(1
R1− 1
R2
)
Si, p.ej. λ = λmetal.Rcond � Rconv.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 10 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
T∞ Rconv Q Rcond Ti
Rconv =1αS
Rcond =1
4πλ
(1
R1− 1
R2
)
Si, p.ej. λ = λmetal.Rcond � Rconv.
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Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Ecuacion de conservacion:
∆E = Q
ρVcpdTdt
= −αS(T − T∞)
Condiciones iniciales, t = 0 T = T0.Hipotesis: α ∼ cte
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
Sea,
1τ
=αSρVcp
Separando variables∫ T
To
dTT − T∞
= −1τ
∫ t
0dt
que conduce a
T − T∞T0 − T∞
= e−tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 11 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Ecuacion de conservacion:
∆E = Q
ρVcpdTdt
= −αS(T − T∞)
Condiciones iniciales, t = 0 T = T0.
Hipotesis: α ∼ cte
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
Sea,
1τ
=αSρVcp
Separando variables∫ T
To
dTT − T∞
= −1τ
∫ t
0dt
que conduce a
T − T∞T0 − T∞
= e−tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 11 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Ecuacion de conservacion:
∆E = Q
ρVcpdTdt
= −αS(T − T∞)
Condiciones iniciales, t = 0 T = T0.Hipotesis: α ∼ cte
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
Sea,
1τ
=αSρVcp
Separando variables∫ T
To
dTT − T∞
= −1τ
∫ t
0dt
que conduce a
T − T∞T0 − T∞
= e−tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 11 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Ecuacion de conservacion:
∆E = Q
ρVcpdTdt
= −αS(T − T∞)
Condiciones iniciales, t = 0 T = T0.Hipotesis: α ∼ cte
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
Sea,
1τ
=αSρVcp
Separando variables∫ T
To
dTT − T∞
= −1τ
∫ t
0dt
que conduce a
T − T∞T0 − T∞
= e−tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 11 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Ecuacion de conservacion:
∆E = Q
ρVcpdTdt
= −αS(T − T∞)
Condiciones iniciales, t = 0 T = T0.Hipotesis: α ∼ cte
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
Sea,
1τ
=αSρVcp
Separando variables
∫ T
To
dTT − T∞
= −1τ
∫ t
0dt
que conduce a
T − T∞T0 − T∞
= e−tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 11 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Ecuacion de conservacion:
∆E = Q
ρVcpdTdt
= −αS(T − T∞)
Condiciones iniciales, t = 0 T = T0.Hipotesis: α ∼ cte
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
Sea,
1τ
=αSρVcp
Separando variables∫ T
To
dTT − T∞
= −1τ
∫ t
0dt
que conduce a
T − T∞T0 − T∞
= e−tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 11 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Ecuacion de conservacion:
∆E = Q
ρVcpdTdt
= −αS(T − T∞)
Condiciones iniciales, t = 0 T = T0.Hipotesis: α ∼ cte
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
Sea,
1τ
=αSρVcp
Separando variables∫ T
To
dTT − T∞
= −1τ
∫ t
0dt
que conduce a
T − T∞T0 − T∞
= e−tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 11 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
0 5 10 15 20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = e−t/τ
τ
t
θ=
(T−T∞)/(T
0−T∞)
θ =T − T∞T0 − T∞
Para t = τ ,
T(τ)− T∞ = 0,368(T0 − T∞)
AplicabilidadResist.Int.Cond
Resist.ext≈ L/λS
1/αS=αLλ
Radiacion:
α∗ = σεT3∞
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 12 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
0 5 10 15 20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = e−t/τ
τ
t
θ=
(T−T∞)/(T
0−T∞)
θ =T − T∞T0 − T∞
Para t = τ ,
T(τ)− T∞ = 0,368(T0 − T∞)
AplicabilidadResist.Int.Cond
Resist.ext≈ L/λS
1/αS=αLλ
Radiacion:
α∗ = σεT3∞
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 12 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
0 5 10 15 20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = e−t/τ
τ
t
θ=
(T−T∞)/(T
0−T∞)
θ =T − T∞T0 − T∞
Para t = τ ,
T(τ)− T∞ = 0,368(T0 − T∞)
AplicabilidadResist.Int.Cond
Resist.ext≈ L/λS
1/αS=αLλ
Radiacion:
α∗ = σεT3∞
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 12 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
0 5 10 15 20
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = e−t/τ
τ
t
θ=
(T−T∞)/(T
0−T∞)
θ =T − T∞T0 − T∞
Para t = τ ,
T(τ)− T∞ = 0,368(T0 − T∞)
AplicabilidadResist.Int.Cond
Resist.ext≈ L/λS
1/αS=αLλ
Radiacion:
α∗ = σεT3∞
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 12 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Numero de Biot
Bi =αLλ
. . . Bi < 0,1??
Analogıa fısica:
Circuito electrico RC,
dVdt
= − VRC
τ = RC
Problema termico:
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
τ =
(1αS
)(ρVcp)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 13 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Numero de Biot
Bi =αLλ
. . . Bi < 0,1??
Analogıa fısica:
Circuito electrico RC,
dVdt
= − VRC
τ = RC
Problema termico:
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
τ =
(1αS
)(ρVcp)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 13 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Numero de Biot
Bi =αLλ
. . . Bi < 0,1??
Analogıa fısica:
Circuito electrico RC,
dVdt
= − VRC
τ = RC
Problema termico:
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
τ =
(1αS
)(ρVcp)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 13 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Numero de Biot
Bi =αLλ
. . . Bi < 0,1??
Analogıa fısica:
Circuito electrico RC,
dVdt
= − VRC
τ = RC
Problema termico:
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
τ =
(1αS
)(ρVcp)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 13 / 44
Evolucion hacia el equilibrio termico.Solidos de Temperatura Uniforme.
Numero de Biot
Bi =αLλ
. . . Bi < 0,1??
Analogıa fısica:
Circuito electrico RC,
dVdt
= − VRC
τ = RC
Problema termico:
dTdt
= − αSρVcp
(T − T∞)
τ =
(1αS
)(ρVcp)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 13 / 44
Conduccion en un solido semi-infinito
`
TC(t)T∞
Geometrıa plana. Imposicion repentinade la temperatura en la superficie
x
T (x, 0) = T0
T (0, t) = Ts
t
x
T
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 14 / 44
Conduccion en un solido semi-infinito
`
TC(t)T∞
Geometrıa plana. Imposicion repentinade la temperatura en la superficie
x
T (x, 0) = T0
T (0, t) = Ts
t
x
T
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 14 / 44
Conduccion en un solido semi-infinito
`
TC(t)T∞
Geometrıa plana. Imposicion repentinade la temperatura en la superficie
x
T (x, 0) = T0
T (0, t) = Ts
t
x
T
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 14 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoEcuaciones
Condiciones iniciales del solido,
T = T0 ∀x
Condicion de borde,
T(x = 0) = Ts
para t > 0 en x→∞ T = T0
para t > 0 en x = 0 T = Ts
Normalizacion de las variables,
θ =T − T0
Ts − T0
entonces la ecuacion a resolver es
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (2)
Las condiciones resultantes:
para t > 0 en x = 0 θ = θ0 = 1para t > 0 en x→∞ θ = 0
3 variables (θ, x, t)2 dimensiones [m,s].=⇒ Ley de Escala.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 15 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoEcuaciones
Condiciones iniciales del solido,
T = T0 ∀x
Condicion de borde,
T(x = 0) = Ts
para t > 0 en x→∞ T = T0
para t > 0 en x = 0 T = Ts
Normalizacion de las variables,
θ =T − T0
Ts − T0
entonces la ecuacion a resolver es
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (2)
Las condiciones resultantes:
para t > 0 en x = 0 θ = θ0 = 1para t > 0 en x→∞ θ = 0
3 variables (θ, x, t)2 dimensiones [m,s].=⇒ Ley de Escala.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 15 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoEcuaciones
Condiciones iniciales del solido,
T = T0 ∀x
Condicion de borde,
T(x = 0) = Ts
para t > 0 en x→∞ T = T0
para t > 0 en x = 0 T = Ts
Normalizacion de las variables,
θ =T − T0
Ts − T0
entonces la ecuacion a resolver es
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (2)
Las condiciones resultantes:
para t > 0 en x = 0 θ = θ0 = 1para t > 0 en x→∞ θ = 0
3 variables (θ, x, t)2 dimensiones [m,s].=⇒ Ley de Escala.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 15 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoEcuaciones
Condiciones iniciales del solido,
T = T0 ∀x
Condicion de borde,
T(x = 0) = Ts
para t > 0 en x→∞ T = T0
para t > 0 en x = 0 T = Ts
Normalizacion de las variables,
θ =T − T0
Ts − T0
entonces la ecuacion a resolver es
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (2)
Las condiciones resultantes:
para t > 0 en x = 0 θ = θ0 = 1para t > 0 en x→∞ θ = 0
3 variables (θ, x, t)2 dimensiones [m,s].=⇒ Ley de Escala.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 15 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoEcuaciones
Condiciones iniciales del solido,
T = T0 ∀x
Condicion de borde,
T(x = 0) = Ts
para t > 0 en x→∞ T = T0
para t > 0 en x = 0 T = Ts
Normalizacion de las variables,
θ =T − T0
Ts − T0
entonces la ecuacion a resolver es
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (2)
Las condiciones resultantes:
para t > 0 en x = 0 θ = θ0 = 1para t > 0 en x→∞ θ = 0
3 variables (θ, x, t)2 dimensiones [m,s].=⇒ Ley de Escala.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 15 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoEcuaciones
Condiciones iniciales del solido,
T = T0 ∀x
Condicion de borde,
T(x = 0) = Ts
para t > 0 en x→∞ T = T0
para t > 0 en x = 0 T = Ts
Normalizacion de las variables,
θ =T − T0
Ts − T0
entonces la ecuacion a resolver es
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (2)
Las condiciones resultantes:
para t > 0 en x = 0 θ = θ0 = 1para t > 0 en x→∞ θ = 0
3 variables (θ, x, t)
2 dimensiones [m,s].=⇒ Ley de Escala.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 15 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoEcuaciones
Condiciones iniciales del solido,
T = T0 ∀x
Condicion de borde,
T(x = 0) = Ts
para t > 0 en x→∞ T = T0
para t > 0 en x = 0 T = Ts
Normalizacion de las variables,
θ =T − T0
Ts − T0
entonces la ecuacion a resolver es
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (2)
Las condiciones resultantes:
para t > 0 en x = 0 θ = θ0 = 1para t > 0 en x→∞ θ = 0
3 variables (θ, x, t)2 dimensiones [m,s].=⇒ Ley de Escala.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 15 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
0 0.5 1 1.5 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = ferrc(η)
η = x/(4at)1/2
θ=
(T−T0)/(T
s−T0)
Modelo de solido semi-infinito, las distintas curvas para t = cte colapsan a una sola.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 16 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.
O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
∂()
∂t= a
∂2()
∂x2
Analisis dimensional()
τ∼ a
()
L2
τ ∼ L2/a
Tiempo difusivo, o de relajacion.O, respectivamente
` =√τa
Longitud de penetracion.
Aparecen entonces variables adi-mensionales:
x∗ = x/` = x/√τa
t∗ = tL2/a
Se define
θ(η) = θ0f (η)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 17 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoLey de Escala
0 0.5 1 1.5 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = ferrc(η)
η = x/(4at)1/2
θ=
(T−T0)/(T
s−T0)
Modelo de solido semi-infinito, solucion como funcion complemento error. Paraη ≈ 0,5 consideramos la longitud de penetracion `, o en forma equivalente, el tiempode relajacion τ .
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 18 / 44
Numeros Adimensionales
Numero de Biot
Bi =αLλ
Numero de Fourier
Fo =atL2 =
`2
L2 =tτ
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 19 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoOtras CB.
x
T (x, 0) = T0−λ ∂T/∂x|x=0 = qs
t
x
T
Modelo de solido semi-infinito, imposicion deflujo de calor en la frontera.
La derivada en x = 0 es comuna las curvas, que resultan para-lelas.
−λ dTdx
∣∣∣∣x=0
= qs
para t = 0 T = T0∀x > 0
qs = cte. =⇒
T = T0 +qs
λ
((4atπ
)1/2
e−x2/(4at) − x(
1− fer( x
4at
)))(3)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 20 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoOtras CB.
x
T (x, 0) = T0−λ ∂T/∂x|x=0 = qs
t
x
T
Modelo de solido semi-infinito, imposicion deflujo de calor en la frontera.
La derivada en x = 0 es comuna las curvas, que resultan para-lelas.
−λ dTdx
∣∣∣∣x=0
= qs
para t = 0 T = T0∀x > 0
qs = cte. =⇒
T = T0 +qs
λ
((4atπ
)1/2
e−x2/(4at) − x(
1− fer( x
4at
)))(3)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 20 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoOtras CB.
x
T (x, 0) = T0−λ ∂T/∂x|x=0 = qs
t
x
T
Modelo de solido semi-infinito, imposicion deflujo de calor en la frontera.
La derivada en x = 0 es comuna las curvas, que resultan para-lelas.
−λ dTdx
∣∣∣∣x=0
= qs
para t = 0 T = T0∀x > 0
qs = cte. =⇒
T = T0 +qs
λ
((4atπ
)1/2
e−x2/(4at) − x(
1− fer( x
4at
)))(3)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 20 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoOtras CB.
Geometrıa plana. Condicion convectiva en lasuperficie de separacion.
λdTdx
∣∣∣∣x=0
= α(T(x=0)− T∞)
para t = 0 T = T0∀x > 0
T − T0
T∞ − T0= ferc
(x√4at
)− eαx/λ+(α/λ)2atferc
(x√4at
+α
λ
√at)
(4)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 21 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoOtras CB.
Geometrıa plana. Condicion convectiva en lasuperficie de separacion.
λdTdx
∣∣∣∣x=0
= α(T(x=0)− T∞)
para t = 0 T = T0∀x > 0
T − T0
T∞ − T0= ferc
(x√4at
)− eαx/λ+(α/λ)2atferc
(x√4at
+α
λ
√at)
(4)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 21 / 44
Conduccion en un solido semi-infinitoOtras CB.
Geometrıa plana. Condicion convectiva en lasuperficie de separacion.
λdTdx
∣∣∣∣x=0
= α(T(x=0)− T∞)
para t = 0 T = T0∀x > 0
T − T0
T∞ − T0= ferc
(x√4at
)− eαx/λ+(α/λ)2atferc
(x√4at
+α
λ
√at)
(4)
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 21 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cartesianas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo cos(λnx) (5)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
x = x/e
Fo =atL2
• tan(λn) =Biλn
• An =2 sin(λn)
λn + cos(λn) sin(λn)
Q = E − Et=0
Q = Q/Qmax
Qmax = ρCpLAc(T∞ − T0)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 22 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cilındricas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFoJ0(λnr) (6)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λnJ1(λn) = BiJ0(λn)
• An =2J1(λn)
λn[J2
0(λn) + J21(λn)
]
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 2J1(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 23 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cilındricas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFoJ0(λnr) (6)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λnJ1(λn) = BiJ0(λn)
• An =2J1(λn)
λn[J2
0(λn) + J21(λn)
]
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 2J1(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 23 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cilındricas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFoJ0(λnr) (6)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λnJ1(λn) = BiJ0(λn)
• An =2J1(λn)
λn[J2
0(λn) + J21(λn)
]
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 2J1(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 23 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cilındricas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFoJ0(λnr) (6)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λnJ1(λn) = BiJ0(λn)
• An =2J1(λn)
λn[J2
0(λn) + J21(λn)
]
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 2J1(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 23 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cilındricas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFoJ0(λnr) (6)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λnJ1(λn) = BiJ0(λn)
• An =2J1(λn)
λn[J2
0(λn) + J21(λn)
]
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 2J1(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 23 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cilındricas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFoJ0(λnr) (6)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λnJ1(λn) = BiJ0(λn)
• An =2J1(λn)
λn[J2
0(λn) + J21(λn)
]
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 2J1(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 23 / 44
Soluciones completas.Coordenadas cilındricas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFoJ0(λnr) (6)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λnJ1(λn) = BiJ0(λn)
• An =2J1(λn)
λn[J2
0(λn) + J21(λn)
]
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 2J1(λn)
λn
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 23 / 44
Soluciones completas.Coordenadas esfericas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λnr)
λnr(7)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λn cos(λn) = (1− Bi) sin(λn)
• An =2 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λn − sin(λn) cos(λn)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 3 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λ3n
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 24 / 44
Soluciones completas.Coordenadas esfericas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λnr)
λnr(7)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λn cos(λn) = (1− Bi) sin(λn)
• An =2 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λn − sin(λn) cos(λn)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 3 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λ3n
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 24 / 44
Soluciones completas.Coordenadas esfericas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λnr)
λnr(7)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λn cos(λn) = (1− Bi) sin(λn)
• An =2 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λn − sin(λn) cos(λn)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 3 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λ3n
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 24 / 44
Soluciones completas.Coordenadas esfericas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λnr)
λnr(7)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λn cos(λn) = (1− Bi) sin(λn)
• An =2 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λn − sin(λn) cos(λn)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 3 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λ3n
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 24 / 44
Soluciones completas.Coordenadas esfericas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λnr)
λnr(7)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λn cos(λn) = (1− Bi) sin(λn)
• An =2 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λn − sin(λn) cos(λn)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 3 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λ3n
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 24 / 44
Soluciones completas.Coordenadas esfericas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λnr)
λnr(7)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λn cos(λn) = (1− Bi) sin(λn)
• An =2 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λn − sin(λn) cos(λn)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 3 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λ3n
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 24 / 44
Soluciones completas.Coordenadas esfericas
θ =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo sin(λnr)
λnr(7)
θ = (T − T∞)/(T0 − T∞)
r = r/Re
Fo =atR2
e
• λn cos(λn) = (1− Bi) sin(λn)
• An =2 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λn − sin(λn) cos(λn)
Q =
∞∑n=1
Ane−λ2nFo 3 [sin(λn)− λn cos(λn)]
λ3n
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 24 / 44
Soluciones completas.Convergencia
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.6
0.8
1
Fo
θ
Solucion 100 terminos
Solucion 1 termino. Tiempos Largos.
Solucion solido semi-infinito
Ejemplo de convergencia de soluciones para el problema de conducciontransitoria sobre una placa plana.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 25 / 44
Soluciones completas.Convergencia
0 5 · 10−2 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
0.7
0.8
0.9
1
Fo
θ
Solucion 100 terminos
Solucion 1 termino. Tiempos Largos.
Solucion solido semi-infinito
Ejemplo de convergencia de soluciones para el problema de conducciontransitoria sobre una placa plana.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 25 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.
T = T0(x, y, z) para t = 0
siendo T0 una funcion dada de las coordenadas cartesianas x, y, z.La distribucion de temperaturas en todo instante posterior a t = 0 se puededescomponer en una integral unidimensional de Fourier de forma tal que
T(x, y, z, t) =
∫Tk(t)eikrd3k
con r el vector posicion, y
d3k = dkxdkydkz
y coeficientes
Tk(t) =1
(2π)3
∫T(x′, y′, z′, t)e−ikrdx′dy′dz′
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 26 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.
El planteo supone introducir la ecuacion de Fourier dentro de la integral∫ (dTk
dt+ k2aTk
)eikrdk = 0
y conseguimos
T(x, y, z, t) =1
(2π)3
∫ ∫T0(x′, y′, z′)e−ak2teik(r−r′)dx′dy′dz′dk
T =1
8(atπ)3/2
∫T0(x′, y′, z′) e−((x−x′)2+(y−y′)2+(z−z′)2)/4atdx′dy′dz′
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 27 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.
El planteo supone introducir la ecuacion de Fourier dentro de la integral∫ (dTk
dt+ k2aTk
)eikrdk = 0
y conseguimos
T(x, y, z, t) =1
(2π)3
∫ ∫T0(x′, y′, z′)e−ak2teik(r−r′)dx′dy′dz′dk
T =1
8(atπ)3/2
∫T0(x′, y′, z′) e−((x−x′)2+(y−y′)2+(z−z′)2)/4atdx′dy′dz′
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 27 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.Ejemplo practico.
Pulso termico en el instante iniciala un solido cuya temperatura iniciales nula.
T0(r) = Cδ(r)
Aplicando la expresion integral delcampo de temperaturas surge que
T(r, t) = C 18(atπ)3/2 e−r2/4at
Para el punto r = 0, si t > 0, T dismi-nuye siguiendo una ley del tipo t−3/2.La region T 6= 0 se extiende progresi-vamente. El orden de magnitud
` ∼√
at
τ = `2/a tiempo para que la tempe-ratura de un cuerpo con temperaturasno uniformemente distribuidas, tiendaa una distribucion homogenea y unifor-me.
No muy entusiasta del analisis dimensional??Estudio basado en G.I. Taylor Trinity Test.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 28 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.Ejemplo practico.
Pulso termico en el instante iniciala un solido cuya temperatura iniciales nula.
T0(r) = Cδ(r)
Aplicando la expresion integral delcampo de temperaturas surge que
T(r, t) = C 18(atπ)3/2 e−r2/4at
Para el punto r = 0, si t > 0, T dismi-nuye siguiendo una ley del tipo t−3/2.La region T 6= 0 se extiende progresi-vamente. El orden de magnitud
` ∼√
at
τ = `2/a tiempo para que la tempe-ratura de un cuerpo con temperaturasno uniformemente distribuidas, tiendaa una distribucion homogenea y unifor-me.
No muy entusiasta del analisis dimensional??Estudio basado en G.I. Taylor Trinity Test.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 28 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.Ejemplo practico.
Pulso termico en el instante iniciala un solido cuya temperatura iniciales nula.
T0(r) = Cδ(r)
Aplicando la expresion integral delcampo de temperaturas surge que
T(r, t) = C 18(atπ)3/2 e−r2/4at
Para el punto r = 0, si t > 0, T dismi-nuye siguiendo una ley del tipo t−3/2.
La region T 6= 0 se extiende progresi-vamente. El orden de magnitud
` ∼√
at
τ = `2/a tiempo para que la tempe-ratura de un cuerpo con temperaturasno uniformemente distribuidas, tiendaa una distribucion homogenea y unifor-me.
No muy entusiasta del analisis dimensional??Estudio basado en G.I. Taylor Trinity Test.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 28 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.Ejemplo practico.
Pulso termico en el instante iniciala un solido cuya temperatura iniciales nula.
T0(r) = Cδ(r)
Aplicando la expresion integral delcampo de temperaturas surge que
T(r, t) = C 18(atπ)3/2 e−r2/4at
Para el punto r = 0, si t > 0, T dismi-nuye siguiendo una ley del tipo t−3/2.La region T 6= 0 se extiende progresi-vamente. El orden de magnitud
` ∼√
at
τ = `2/a tiempo para que la tempe-ratura de un cuerpo con temperaturasno uniformemente distribuidas, tiendaa una distribucion homogenea y unifor-me.
No muy entusiasta del analisis dimensional??Estudio basado en G.I. Taylor Trinity Test.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 28 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.Ejemplo practico.
Pulso termico en el instante iniciala un solido cuya temperatura iniciales nula.
T0(r) = Cδ(r)
Aplicando la expresion integral delcampo de temperaturas surge que
T(r, t) = C 18(atπ)3/2 e−r2/4at
Para el punto r = 0, si t > 0, T dismi-nuye siguiendo una ley del tipo t−3/2.La region T 6= 0 se extiende progresi-vamente. El orden de magnitud
` ∼√
at
τ = `2/a tiempo para que la tempe-ratura de un cuerpo con temperaturasno uniformemente distribuidas, tiendaa una distribucion homogenea y unifor-me.
No muy entusiasta del analisis dimensional??Estudio basado en G.I. Taylor Trinity Test.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 28 / 44
Respuesta termica de un solido infinito.Ejemplo practico.
Pulso termico en el instante iniciala un solido cuya temperatura iniciales nula.
T0(r) = Cδ(r)
Aplicando la expresion integral delcampo de temperaturas surge que
T(r, t) = C 18(atπ)3/2 e−r2/4at
Para el punto r = 0, si t > 0, T dismi-nuye siguiendo una ley del tipo t−3/2.La region T 6= 0 se extiende progresi-vamente. El orden de magnitud
` ∼√
at
τ = `2/a tiempo para que la tempe-ratura de un cuerpo con temperaturasno uniformemente distribuidas, tiendaa una distribucion homogenea y unifor-me.
No muy entusiasta del analisis dimensional??Estudio basado en G.I. Taylor Trinity Test.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 28 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T (t = 0) = T0 T∞
z
L2
L1
x
En forma adimensional:
θ =T − T∞T0 − T∞
∂2θ
∂x2 +∂2θ
∂z2 =1a∂θ
∂t
En t = 0, θ = 0 en toda la barra.En las sup. lat. x = L1 y z = L2,−λ∇θ = αθ.en el eje de la barra por razones desimetrıa
∂θ
∂x
∣∣∣∣x=L1/2
=∂θ
∂z
∣∣∣∣z=L2/2
= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 29 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T (t = 0) = T0 T∞
z
L2
L1
x
En forma adimensional:
θ =T − T∞T0 − T∞
∂2θ
∂x2 +∂2θ
∂z2 =1a∂θ
∂t
En t = 0, θ = 0 en toda la barra.En las sup. lat. x = L1 y z = L2,−λ∇θ = αθ.en el eje de la barra por razones desimetrıa
∂θ
∂x
∣∣∣∣x=L1/2
=∂θ
∂z
∣∣∣∣z=L2/2
= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 29 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T (t = 0) = T0 T∞
z
L2
L1
x
En forma adimensional:
θ =T − T∞T0 − T∞
∂2θ
∂x2 +∂2θ
∂z2 =1a∂θ
∂t
En t = 0, θ = 0 en toda la barra.
En las sup. lat. x = L1 y z = L2,−λ∇θ = αθ.en el eje de la barra por razones desimetrıa
∂θ
∂x
∣∣∣∣x=L1/2
=∂θ
∂z
∣∣∣∣z=L2/2
= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 29 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T (t = 0) = T0 T∞
z
L2
L1
x
En forma adimensional:
θ =T − T∞T0 − T∞
∂2θ
∂x2 +∂2θ
∂z2 =1a∂θ
∂t
En t = 0, θ = 0 en toda la barra.En las sup. lat. x = L1 y z = L2,−λ∇θ = αθ.
en el eje de la barra por razones desimetrıa
∂θ
∂x
∣∣∣∣x=L1/2
=∂θ
∂z
∣∣∣∣z=L2/2
= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 29 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T (t = 0) = T0 T∞
z
L2
L1
x
En forma adimensional:
θ =T − T∞T0 − T∞
∂2θ
∂x2 +∂2θ
∂z2 =1a∂θ
∂t
En t = 0, θ = 0 en toda la barra.En las sup. lat. x = L1 y z = L2,−λ∇θ = αθ.en el eje de la barra por razones desimetrıa
∂θ
∂x
∣∣∣∣x=L1/2
=∂θ
∂z
∣∣∣∣z=L2/2
= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 29 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T0T∞
L1
x
T0T∞
L2
z
θ1 =T1 − T∞T0 − T∞
, θ2 =T2 − T∞T0 − T∞
∂2θ1
∂x2 =1a∂θ1
∂t
∂2θ2
∂z2 =1a∂θ2
∂tEn ambas placas
en t = 0 θ1 = θ2 = 0
En las sup. lat. x = 0 y z = 0−λ∇θi = αθi i = 1, 2En el plano medio de las placas
∂θ1
∂x=∂θ2
∂z= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 30 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T0T∞
L1
x
T0T∞
L2
z
θ1 =T1 − T∞T0 − T∞
, θ2 =T2 − T∞T0 − T∞
∂2θ1
∂x2 =1a∂θ1
∂t
∂2θ2
∂z2 =1a∂θ2
∂tEn ambas placas
en t = 0 θ1 = θ2 = 0
En las sup. lat. x = 0 y z = 0−λ∇θi = αθi i = 1, 2En el plano medio de las placas
∂θ1
∂x=∂θ2
∂z= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 30 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T0T∞
L1
x
T0T∞
L2
z
θ1 =T1 − T∞T0 − T∞
, θ2 =T2 − T∞T0 − T∞
∂2θ1
∂x2 =1a∂θ1
∂t
∂2θ2
∂z2 =1a∂θ2
∂t
En ambas placas
en t = 0 θ1 = θ2 = 0
En las sup. lat. x = 0 y z = 0−λ∇θi = αθi i = 1, 2En el plano medio de las placas
∂θ1
∂x=∂θ2
∂z= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 30 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T0T∞
L1
x
T0T∞
L2
z
θ1 =T1 − T∞T0 − T∞
, θ2 =T2 − T∞T0 − T∞
∂2θ1
∂x2 =1a∂θ1
∂t
∂2θ2
∂z2 =1a∂θ2
∂tEn ambas placas
en t = 0 θ1 = θ2 = 0
En las sup. lat. x = 0 y z = 0−λ∇θi = αθi i = 1, 2En el plano medio de las placas
∂θ1
∂x=∂θ2
∂z= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 30 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T0T∞
L1
x
T0T∞
L2
z
θ1 =T1 − T∞T0 − T∞
, θ2 =T2 − T∞T0 − T∞
∂2θ1
∂x2 =1a∂θ1
∂t
∂2θ2
∂z2 =1a∂θ2
∂tEn ambas placas
en t = 0 θ1 = θ2 = 0
En las sup. lat. x = 0 y z = 0−λ∇θi = αθi i = 1, 2
En el plano medio de las placas
∂θ1
∂x=∂θ2
∂z= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 30 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
T0T∞
L1
x
T0T∞
L2
z
θ1 =T1 − T∞T0 − T∞
, θ2 =T2 − T∞T0 − T∞
∂2θ1
∂x2 =1a∂θ1
∂t
∂2θ2
∂z2 =1a∂θ2
∂tEn ambas placas
en t = 0 θ1 = θ2 = 0
En las sup. lat. x = 0 y z = 0−λ∇θi = αθi i = 1, 2En el plano medio de las placas
∂θ1
∂x=∂θ2
∂z= 0
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 30 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)
Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.
Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Casos simples de regimen transitorio multidimensionalCaso de una barra rectangular larga
Proponemos
θ(t, x, z) = θ1(t, x)θ2(t, z)
θ2∂2θ1
∂x2 + θ1∂2θ2
∂z2 =1a
(θ2∂θ1
∂t+ θ1
∂θ2
∂t
)
θ2
(∂2θ1
∂x2 −1a∂θ1
∂t
)= θ1
(∂2θ2
∂z2 −1a∂θ2
∂t
)Esta expresion se satisface si ambosparentesis se anulan simultaneamente.Como θ1 y θ2 son soluciones de las ecua-ciones diferenciales de la placa.
Precauciones:
La temperatura inicial delcuerpo debe ser uniforme
La temperatura del fluido esigual en todas las caras,α=cte.
Problema con condicionesde contorno lineales.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 31 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibrio termicoSolidos de Temperatura UniformeConduccion en un solido semi-infinitoSoluciones completasRespuesta termica de un solido infinito.Casos simples de regimen transitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas de TemperaturaSolido semi-infinito sometido a una temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno en movimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 32 / 44
Variaciones periodicas de Temperatura
x
Ts − T0 = (Ts(t) − T0) sin(ωt)
0 2 4 6
1
1.5
2
x
∆T
t0t1t2
Condicion de temperatura cıclica. la temperatura de la pared x = 0,
T(0, t) = Tm + ∆Te−iωt
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 33 / 44
Variaciones periodicas de Temperatura
Solucion completa
T(x, t) = Tm + ∆Te−x√ω/2aei(x
√ω/2a−ωt)
La variacion periodica ω condiciona a la solucion.La difusion atenua la senal de forzado.Longitud de penetracion de las fluctuaciones.
L ∼√
2a/ω
Desfasaje,
x/√
2a/ω
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 34 / 44
Variaciones periodicas de Temperatura
Solucion completa
T(x, t) = Tm + ∆Te−x√ω/2aei(x
√ω/2a−ωt)
La variacion periodica ω condiciona a la solucion.
La difusion atenua la senal de forzado.Longitud de penetracion de las fluctuaciones.
L ∼√
2a/ω
Desfasaje,
x/√
2a/ω
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 34 / 44
Variaciones periodicas de Temperatura
Solucion completa
T(x, t) = Tm + ∆Te−x√ω/2aei(x
√ω/2a−ωt)
La variacion periodica ω condiciona a la solucion.La difusion atenua la senal de forzado.
Longitud de penetracion de las fluctuaciones.
L ∼√
2a/ω
Desfasaje,
x/√
2a/ω
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 34 / 44
Variaciones periodicas de Temperatura
Solucion completa
T(x, t) = Tm + ∆Te−x√ω/2aei(x
√ω/2a−ωt)
La variacion periodica ω condiciona a la solucion.La difusion atenua la senal de forzado.Longitud de penetracion de las fluctuaciones.
L ∼√
2a/ω
Desfasaje,
x/√
2a/ω
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 34 / 44
Variaciones periodicas de Temperatura
Solucion completa
T(x, t) = Tm + ∆Te−x√ω/2aei(x
√ω/2a−ωt)
La variacion periodica ω condiciona a la solucion.La difusion atenua la senal de forzado.Longitud de penetracion de las fluctuaciones.
L ∼√
2a/ω
Desfasaje,
x/√
2a/ω
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 34 / 44
Organizacion de la clase
1 Ecuacion de Fourier.Problema general de difusion.
2 Evolucion hacia el equilibrio termicoSolidos de Temperatura UniformeConduccion en un solido semi-infinitoSoluciones completasRespuesta termica de un solido infinito.Casos simples de regimen transitorio multidimensional
3 Variaciones periodicas de TemperaturaSolido semi-infinito sometido a una temperatura cıclica.
4 Problemas con contorno en movimiento
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 35 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Aplicaciones en ingenierıa
solidificacion de una sustancia fundida.
crecimiento de una burbuja de vapor en un lıquido sobrecalentado.
ablacion del fuselaje en un vehıculo espacial.
En general ocurre un cambio de fase =⇒ condiciones de contorno delproblema variables respecto a una terna fija.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 36 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Aplicaciones en ingenierıa
solidificacion de una sustancia fundida.
crecimiento de una burbuja de vapor en un lıquido sobrecalentado.
ablacion del fuselaje en un vehıculo espacial.
En general ocurre un cambio de fase =⇒ condiciones de contorno delproblema variables respecto a una terna fija.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 36 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Aplicaciones en ingenierıa
solidificacion de una sustancia fundida.
crecimiento de una burbuja de vapor en un lıquido sobrecalentado.
ablacion del fuselaje en un vehıculo espacial.
En general ocurre un cambio de fase =⇒ condiciones de contorno delproblema variables respecto a una terna fija.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 36 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Aplicaciones en ingenierıa
solidificacion de una sustancia fundida.
crecimiento de una burbuja de vapor en un lıquido sobrecalentado.
ablacion del fuselaje en un vehıculo espacial.
En general ocurre un cambio de fase =⇒ condiciones de contorno delproblema variables respecto a una terna fija.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 36 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Aplicaciones en ingenierıa
solidificacion de una sustancia fundida.
crecimiento de una burbuja de vapor en un lıquido sobrecalentado.
ablacion del fuselaje en un vehıculo espacial.
En general ocurre un cambio de fase =⇒ condiciones de contorno delproblema variables respecto a una terna fija.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 36 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Aplicaciones en ingenierıa
solidificacion de una sustancia fundida.
crecimiento de una burbuja de vapor en un lıquido sobrecalentado.
ablacion del fuselaje en un vehıculo espacial.
En general ocurre un cambio de fase =⇒ condiciones de contorno delproblema variables respecto a una terna fija.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 36 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
Esquema de un material que solidifica.El frente de solidificacion z = s avanzaconforme al tiempo.
Condiciones
λ1∇T1|s = λ2∇T2|u + mhfs
donde m representa la masa quecambia de estado por unidad desuperficie en la interfaz y hfs=hs−hu la entalpıa del cambio de esta-do.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 37 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
Esquema de un material que solidifica.El frente de solidificacion z = s avanzaconforme al tiempo.
Condiciones
λ1∇T1|s = λ2∇T2|u + mhfs
donde m representa la masa quecambia de estado por unidad desuperficie en la interfaz y hfs=hs−hu la entalpıa del cambio de esta-do.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 37 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
Lıquido a su temperatura de solidificacionTs.
`x, `y � `z
Las paredes del recipiente a Ts. Pero, az = 0, Ti < Ts constante a lo largo deltiempo.
La posicion del frente de solidificacioncambiara segun la direccion z.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 38 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
Lıquido a su temperatura de solidificacionTs.
`x, `y � `z
Las paredes del recipiente a Ts. Pero, az = 0, Ti < Ts constante a lo largo deltiempo.
La posicion del frente de solidificacioncambiara segun la direccion z.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 38 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
Lıquido a su temperatura de solidificacionTs.
`x, `y � `z
Las paredes del recipiente a Ts. Pero, az = 0, Ti < Ts constante a lo largo deltiempo.
La posicion del frente de solidificacioncambiara segun la direccion z.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 38 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
Lıquido a su temperatura de solidificacionTs.
`x, `y � `z
Las paredes del recipiente a Ts. Pero, az = 0, Ti < Ts constante a lo largo deltiempo.
La posicion del frente de solidificacioncambiara segun la direccion z.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 38 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
Lıquido a su temperatura de solidificacionTs.
`x, `y � `z
Las paredes del recipiente a Ts. Pero, az = 0, Ti < Ts constante a lo largo deltiempo.
La posicion del frente de solidificacioncambiara segun la direccion z.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 38 / 44
Problemas con contorno en movimiento
θ =T − Ti
Ts − Ti
Propiedades del material solido ∼ctes,
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (8)
Condiciones iniciales y defrontera,
t = 0 −→ θ = 1 (9)
z = 0 −→ θ = 0 (10)
z = s −→ θ = 1 (11)
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 39 / 44
Problemas con contorno en movimiento
θ =T − Ti
Ts − Ti
Propiedades del material solido ∼ctes,
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (8)
Condiciones iniciales y defrontera,
t = 0 −→ θ = 1 (9)
z = 0 −→ θ = 0 (10)
z = s −→ θ = 1 (11)
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 39 / 44
Problemas con contorno en movimiento
θ =T − Ti
Ts − Ti
Propiedades del material solido ∼ctes,
∂θ
∂t= a
∂2θ
∂x2 (8)
Condiciones iniciales y defrontera,
t = 0 −→ θ = 1 (9)
z = 0 −→ θ = 0 (10)
z = s −→ θ = 1 (11)
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 39 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
0Temperatura dentro del lıquido esla de cambio de fase,=⇒ no presenta fenomenos con-vectivos
0 = λ2∇T|u + mhfs (12)
donde m masa que se solidifica porunidad de tiempo y unidad de su-perficie y hfs calor latente de solidi-ficacion.Velocidad del frente de solidifica-cion:
v =dsdt
= − mρ
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv (13)
balance energetico en la interfase.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 40 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
0Temperatura dentro del lıquido esla de cambio de fase,=⇒ no presenta fenomenos con-vectivos
0 = λ2∇T|u + mhfs (12)
donde m masa que se solidifica porunidad de tiempo y unidad de su-perficie y hfs calor latente de solidi-ficacion.
Velocidad del frente de solidifica-cion:
v =dsdt
= − mρ
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv (13)
balance energetico en la interfase.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 40 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
0Temperatura dentro del lıquido esla de cambio de fase,=⇒ no presenta fenomenos con-vectivos
0 = λ2∇T|u + mhfs (12)
donde m masa que se solidifica porunidad de tiempo y unidad de su-perficie y hfs calor latente de solidi-ficacion.Velocidad del frente de solidifica-cion:
v =dsdt
= − mρ
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv (13)
balance energetico en la interfase.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 40 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Ti Ts T0
z = s u
z
Solido
Lıquido
0Temperatura dentro del lıquido esla de cambio de fase,=⇒ no presenta fenomenos con-vectivos
0 = λ2∇T|u + mhfs (12)
donde m masa que se solidifica porunidad de tiempo y unidad de su-perficie y hfs calor latente de solidi-ficacion.Velocidad del frente de solidifica-cion:
v =dsdt
= − mρ
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv (13)
balance energetico en la interfase.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 40 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Para resolver la ecuacion diferencial (8)Asimilamos la solucion de solidosemi-infinito (erf(η)) que tiene la forma:
θ = Aerfz
(4at)1/2 (14)
Condiciones (9),(10) se satisfacen, ya queerf→∞ = 1 y erf(0) = 0.La Condicion, (11), significa:
θ = Aerfs
(4at)1/2 = 1 (15)
−→ A =1
erf s(4at)1/2
(16)
Para que se cumpla lo anterior,s ∝ t1/2.Se propone s = κ(4at)1/2, donde κes una constante a determinar.Luego, A = 1/erfκ.=⇒ la solucion propuesta (14) seescribe segun
θ =T − Ti
Ts − Ti=
erf(z/(4at)1/2
)erfκ
(17)La velocidad del frente se obtienederivando v = ds/dt = κ(a/t)1/2.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 41 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Para resolver la ecuacion diferencial (8)Asimilamos la solucion de solidosemi-infinito (erf(η)) que tiene la forma:
θ = Aerfz
(4at)1/2 (14)
Condiciones (9),(10) se satisfacen, ya queerf→∞ = 1 y erf(0) = 0.
La Condicion, (11), significa:
θ = Aerfs
(4at)1/2 = 1 (15)
−→ A =1
erf s(4at)1/2
(16)
Para que se cumpla lo anterior,s ∝ t1/2.Se propone s = κ(4at)1/2, donde κes una constante a determinar.Luego, A = 1/erfκ.=⇒ la solucion propuesta (14) seescribe segun
θ =T − Ti
Ts − Ti=
erf(z/(4at)1/2
)erfκ
(17)La velocidad del frente se obtienederivando v = ds/dt = κ(a/t)1/2.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 41 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Para resolver la ecuacion diferencial (8)Asimilamos la solucion de solidosemi-infinito (erf(η)) que tiene la forma:
θ = Aerfz
(4at)1/2 (14)
Condiciones (9),(10) se satisfacen, ya queerf→∞ = 1 y erf(0) = 0.La Condicion, (11), significa:
θ = Aerfs
(4at)1/2 = 1 (15)
−→ A =1
erf s(4at)1/2
(16)
Para que se cumpla lo anterior,s ∝ t1/2.Se propone s = κ(4at)1/2, donde κes una constante a determinar.Luego, A = 1/erfκ.=⇒ la solucion propuesta (14) seescribe segun
θ =T − Ti
Ts − Ti=
erf(z/(4at)1/2
)erfκ
(17)La velocidad del frente se obtienederivando v = ds/dt = κ(a/t)1/2.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 41 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Para resolver la ecuacion diferencial (8)Asimilamos la solucion de solidosemi-infinito (erf(η)) que tiene la forma:
θ = Aerfz
(4at)1/2 (14)
Condiciones (9),(10) se satisfacen, ya queerf→∞ = 1 y erf(0) = 0.La Condicion, (11), significa:
θ = Aerfs
(4at)1/2 = 1 (15)
−→ A =1
erf s(4at)1/2
(16)
Para que se cumpla lo anterior,s ∝ t1/2.
Se propone s = κ(4at)1/2, donde κes una constante a determinar.Luego, A = 1/erfκ.=⇒ la solucion propuesta (14) seescribe segun
θ =T − Ti
Ts − Ti=
erf(z/(4at)1/2
)erfκ
(17)La velocidad del frente se obtienederivando v = ds/dt = κ(a/t)1/2.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 41 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Para resolver la ecuacion diferencial (8)Asimilamos la solucion de solidosemi-infinito (erf(η)) que tiene la forma:
θ = Aerfz
(4at)1/2 (14)
Condiciones (9),(10) se satisfacen, ya queerf→∞ = 1 y erf(0) = 0.La Condicion, (11), significa:
θ = Aerfs
(4at)1/2 = 1 (15)
−→ A =1
erf s(4at)1/2
(16)
Para que se cumpla lo anterior,s ∝ t1/2.Se propone s = κ(4at)1/2, donde κes una constante a determinar.
Luego, A = 1/erfκ.=⇒ la solucion propuesta (14) seescribe segun
θ =T − Ti
Ts − Ti=
erf(z/(4at)1/2
)erfκ
(17)La velocidad del frente se obtienederivando v = ds/dt = κ(a/t)1/2.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 41 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Para resolver la ecuacion diferencial (8)Asimilamos la solucion de solidosemi-infinito (erf(η)) que tiene la forma:
θ = Aerfz
(4at)1/2 (14)
Condiciones (9),(10) se satisfacen, ya queerf→∞ = 1 y erf(0) = 0.La Condicion, (11), significa:
θ = Aerfs
(4at)1/2 = 1 (15)
−→ A =1
erf s(4at)1/2
(16)
Para que se cumpla lo anterior,s ∝ t1/2.Se propone s = κ(4at)1/2, donde κes una constante a determinar.Luego, A = 1/erfκ.=⇒ la solucion propuesta (14) seescribe segun
θ =T − Ti
Ts − Ti=
erf(z/(4at)1/2
)erfκ
(17)
La velocidad del frente se obtienederivando v = ds/dt = κ(a/t)1/2.
J. D’Adamo (FI UBA) Conduccion en Regimen Transitorio 5 de mayo de 2020 41 / 44
Problemas con contorno en movimiento
Para resolver la ecuacion diferencial (8)Asimilamos la solucion de solidosemi-infinito (erf(η)) que tiene la forma:
θ = Aerfz
(4at)1/2 (14)
Condiciones (9),(10) se satisfacen, ya queerf→∞ = 1 y erf(0) = 0.La Condicion, (11), significa:
θ = Aerfs
(4at)1/2 = 1 (15)
−→ A =1
erf s(4at)1/2
(16)
Para que se cumpla lo anterior,s ∝ t1/2.Se propone s = κ(4at)1/2, donde κes una constante a determinar.Luego, A = 1/erfκ.=⇒ la solucion propuesta (14) seescribe segun
θ =T − Ti
Ts − Ti=
erf(z/(4at)1/2
)erfκ
(17)La velocidad del frente se obtienederivando v = ds/dt = κ(a/t)1/2.
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Problemas con contorno en movimiento
A partir de la ecuacion de balanceenergetico (13) en la interfase,
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv
puede determinarse el valor de la constanteκ.Recordemos que la derivada de la funcionerror se obtiene desde su definicion,ecuacion (??)
erf(η) =2√π
∫ η
0e−ξ
2dξ
su derivada es
derf(η)
dη=
2√π
e−η2
0 0.5 1 1.5 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = ferrc(η)
η = x/(4at)1/2
θ=
(T−T0)/(T
s−T0)
Modelo de solido semi-infinito,solucion como funcion complementoerror. Para η ≈ 0,5 consideramos la
longitud de penetracion `, o en formaequivalente, el tiempo de relajacion τ .
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Problemas con contorno en movimiento
A partir de la ecuacion de balanceenergetico (13) en la interfase,
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv
puede determinarse el valor de la constanteκ.Recordemos que la derivada de la funcionerror se obtiene desde su definicion,ecuacion (??)
erf(η) =2√π
∫ η
0e−ξ
2dξ
su derivada es
derf(η)
dη=
2√π
e−η2
0 0.5 1 1.5 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = ferrc(η)
η = x/(4at)1/2
θ=
(T−T0)/(T
s−T0)
Modelo de solido semi-infinito,solucion como funcion complementoerror. Para η ≈ 0,5 consideramos la
longitud de penetracion `, o en formaequivalente, el tiempo de relajacion τ .
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Problemas con contorno en movimiento
A partir de la ecuacion de balanceenergetico (13) en la interfase,
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv
puede determinarse el valor de la constanteκ.Recordemos que la derivada de la funcionerror se obtiene desde su definicion,ecuacion (??)
erf(η) =2√π
∫ η
0e−ξ
2dξ
su derivada es
derf(η)
dη=
2√π
e−η2
0 0.5 1 1.5 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = ferrc(η)
η = x/(4at)1/2
θ=
(T−T0)/(T
s−T0)
Modelo de solido semi-infinito,solucion como funcion complementoerror. Para η ≈ 0,5 consideramos la
longitud de penetracion `, o en formaequivalente, el tiempo de relajacion τ .
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Problemas con contorno en movimiento
A partir de la ecuacion de balanceenergetico (13) en la interfase,
0 = λ2(Ts − Ti)∂θ
∂z− ρhfsv
puede determinarse el valor de la constanteκ.Recordemos que la derivada de la funcionerror se obtiene desde su definicion,ecuacion (??)
erf(η) =2√π
∫ η
0e−ξ
2dξ
su derivada es
derf(η)
dη=
2√π
e−η2
0 0.5 1 1.5 2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
θ = ferrc(η)
η = x/(4at)1/2
θ=
(T−T0)/(T
s−T0)
Modelo de solido semi-infinito,solucion como funcion complementoerror. Para η ≈ 0,5 consideramos la
longitud de penetracion `, o en formaequivalente, el tiempo de relajacion τ .
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Problemas con contorno en movimiento
Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Problemas con contorno en movimiento
Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Problemas con contorno en movimiento
Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Problemas con contorno en movimiento
Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Problemas con contorno en movimiento
Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Problemas con contorno en movimiento
Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Problemas con contorno en movimiento
Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Reemplazando en (13),
λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−(s/(4at)1/2)2
(4at)−1/2 = ρhfsv
evaluando en z = s:λ2∆Terf(κ)
2π1/2 e−κ
2(4at)−1/2 = ρhfsκ (a/t)1/2
Reagrupando,
π1/2eκ2κerf(κ) =
λ2
ρa∆Thfs
(18)
Recordando c = λ/ρa, deducimos:
π1/2κeκ2erfκ =
c(Ts − Ti)
hfs(19)
Numero de JakobJa = c(Ts − Ti)/hfs
En el caso de formacion de hielo a partirde agua, con Ts − Ti = 10◦C,
Ja = 0,058.
=⇒ eκ2erfκ ' 2κ/π1/2
Luego
κ ' (Ja/2)1/2
v ' (aJa/2t)1/2
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Problemas con contorno en movimiento
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.410−1
100
101
κ
Ja
Ja = π1/2κeκ2erfκ.
Para t = cte, κ ∝ v.
La posicion del frentes(t) = κ(4at)1/2 se puede deducirpara el valor de κ hallado.Reemplazando:
s = κ(4at)1/2 = (2atJa)1/2 (20)
−→ s2 = 2atJa (21)
ecuacion que los metalurgicosllaman de crecimiento parabolico.Caso cuasiestacionario donde losprocesos transitorios son muylentos.
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Problemas con contorno en movimiento
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.410−1
100
101
κ
Ja
Ja = π1/2κeκ2erfκ.
Para t = cte, κ ∝ v.
La posicion del frentes(t) = κ(4at)1/2 se puede deducirpara el valor de κ hallado.
Reemplazando:
s = κ(4at)1/2 = (2atJa)1/2 (20)
−→ s2 = 2atJa (21)
ecuacion que los metalurgicosllaman de crecimiento parabolico.Caso cuasiestacionario donde losprocesos transitorios son muylentos.
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Problemas con contorno en movimiento
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.410−1
100
101
κ
Ja
Ja = π1/2κeκ2erfκ.
Para t = cte, κ ∝ v.
La posicion del frentes(t) = κ(4at)1/2 se puede deducirpara el valor de κ hallado.Reemplazando:
s = κ(4at)1/2 = (2atJa)1/2 (20)
−→ s2 = 2atJa (21)
ecuacion que los metalurgicosllaman de crecimiento parabolico.Caso cuasiestacionario donde losprocesos transitorios son muylentos.
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Problemas con contorno en movimiento
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.410−1
100
101
κ
Ja
Ja = π1/2κeκ2erfκ.
Para t = cte, κ ∝ v.
La posicion del frentes(t) = κ(4at)1/2 se puede deducirpara el valor de κ hallado.Reemplazando:
s = κ(4at)1/2 = (2atJa)1/2 (20)
−→ s2 = 2atJa (21)
ecuacion que los metalurgicosllaman de crecimiento parabolico.
Caso cuasiestacionario donde losprocesos transitorios son muylentos.
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Problemas con contorno en movimiento
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.410−1
100
101
κ
Ja
Ja = π1/2κeκ2erfκ.
Para t = cte, κ ∝ v.
La posicion del frentes(t) = κ(4at)1/2 se puede deducirpara el valor de κ hallado.Reemplazando:
s = κ(4at)1/2 = (2atJa)1/2 (20)
−→ s2 = 2atJa (21)
ecuacion que los metalurgicosllaman de crecimiento parabolico.Caso cuasiestacionario donde losprocesos transitorios son muylentos.
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