TRANSFERENCIA DE CALOR

Nos hemos referido al calor como una forma de energía en transito. Siempre que hay una diferencia de de temperatura entre dos cuerpos o entre dos partes de un mismo cuerpo se dice que el calor fluye en la dirección de mayor a menor temperatura. Hay tres métodos principales por los que ocurre tal intercambio de calor, conducción, convección, y radiación.

a)conduccion b) conveccion c)radiacion

Ejemplos de transferencia de calor

18.1 Métodos de transferencia de calor

Como ya se menciono, existen tres métodos deferentes para poder transferir el calor, los cuales son; conducción, convección y radiación .Los cuales analizaremos detenidamente en a siguiente sección.

Conducción:La mayor parte de nuestra explicación he supuesto la transferencia de calor por conducción mediante colisiones moleculares entre moléculas vecinas. El proceso continua mientras haya una diferencia de temperatura a lo largo de la barra.

Con esto tenemos nuestra primera definición.

“La conducción es el proceso por el que se transfiere energía térmica mediante colisiones de moléculas adyacentes a lo largo de un medio material. El medio en si no se mueve.”

La aplicaron mas frecuente del principio de conducción probablemente es la de cocinar.

Conveccion:Por otra parte, si colocamos la mano por encima del fuego, podemos sentir la transferencia de calor al elevarse el aire caliente. Este proceso, llamado conveccion, difiere del de conducción porque el medio material si se mueve. El calor se transfiere mediante el movimiento de masas, en vez de ir pasando a través de las moléculas vecinas.

“La conveccion es el proceso por el que se transfiere calor por medio del movimiento real de la masa de un fluido”

Radiacion

Las corrientes de convección constituyen la base de lo sistemas para calentar y enfriar la mayoría de las casas.Cuando colocamos nuestra mano en la proximidad del fuego, la principal fuente de calor es la radiación termica. La radiación implica la emisión o absorción de ondas electromagnéticas que se originan en el nivel atómico. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz (3 X 10 8 m/s) y no requieren la presencia de ningún medio material para propagarse.

“La radiación es el proceso por el que el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas”

La fuente mas evidente de energía radiante es nuestro propio sol. Ni la conducción ni la convección pueden intervenir en el proceso de transferencia que hace llegar su energía térmica, a través del espacio, hasta la Tierra. La enorme cantidad de energía térmica que recibe nuestro medio material, la transferencia de calor que se puede atribuir a la radiación generalmente es pequeña, en comparación con la cantidad que se transfiere por conducción y convección.

18.2 Conduccion

Cuando dos partes de un material se mantienen a temperaturas diferentes, la energía se transfiere por colisiones moleculares de la mas alta a la mas baja temperatura. Este proceso de conducción es favorecido también por el movimiento de electrones libres en el interior de la sustancia, los cuales se han disociado de sus átomos de origen y tienen la libertad de moverse de uno a otro átomo cuando son estimulados ya sea térmica o eléctricamente. La mayoría de los metales son eficientes conductores del calor porque tienen cierto numero de electrones libres que pueden distribuir calor, además del que se propaga por la agitación molecular.

En general, un buen conductor de la electricidad también lo es del calor.“La ley fundamental de la conduccion térmica es una generalización de resultados experimentales relacionados con el flujo de calor a través de un material en forma de placa.”

1. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es directamente proporcional a la diferencia de temperatura (Δt=t´ - t)

2. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es inversamente proporcional al área A de la placa.

3. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es inversamente proporcional al espesor de L de la placa.Estos resultados se pueden expresar en forma de ecuación introduciendo la constante de proporcionalidad K. Así pues escribimos nuestra primera formula:

H= Q/Τ=kA(Δt/L)
FORMULA 18.1

Donde:

H representa la razón con la que se transfiere el calor. Aun cuando la ecuación se estableció para un material en forma de placa, también se cumple para una barra de sección transversal A y longitud L.

La constante de proporcionalidad k es una propiedad de cada material que se conoce como conductividad térmica.

A partir de la ecuación anterior , se puede observar que las sustancias con alta conductividad térmica son buenas conductoras del calor, mientras que las sustancias con baja conductividad son conductoras pobres o aislantes.

“La conductividad térmica de una sustancia es una medida de su capacidad para conducir el calor y se define por medio de la relación:”

k= QL / ΤA Δt
FORMULA 18.2

18.3 Aislamiento: el valor R

A veces se desea saber, por ejemplo, cuales serian los efectos de remplazar con material aislante de fibra de vidrio los espacios cerrados (sin ventilación) que se encuentran entre los muros. Para resolver esos casos en varias aplicaciones de ingeniería se ha introducido el concepto de resistencia térmica R. El valor R de un material de espesor L y de conductividad térmica k se define de este modo:

R = L/ k

Si reconocemos que el flujo de calor de estado estacionario por un muro compuesto es constante y aplicamos la ecuación de conductividad térmica a cierto número de espesores de diferentes materiales, se pude demostrar que:

Q / Τ =A Δt/Σi (Li /Ki) = A Δt / Σi R i
FORMULA 18.3


La cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo (Q / Τ) a través de cierto numero de espesores diferentes materiales es igual al producto del área A y la diferencia de temperatura Δt dividido entre la suma de los valores R de esos materiales.

18.4 Conveccion

La conveccion se ha definido como el proceso por el que el calor es transferido por medio del movimiento real de la masa de un medio material. Una corriente de liquido o de gas que absorbe energía de un lugar y lo lleva a otro, donde lo libera a una porción mas fría del fluido recibe el nombre de corriente de conveccion.

Si el movimiento de un fluido es causado por una diferencia de densidad originada por un cambio de temperatura, la corriente producida se conoce como conveccion natural.

Cuando un fluido es obligado a moverse por la acción de una bomba o unas aspas, la corriente producida se conoce como conveccion forzada.

Muchas de las propiedades físicas de un fluido dependen de la temperatura y de la presión; por eso en la mayor parte de los casos solo se pude hacer un calculo aproximado del proceso.A diferencia de la conductividad térmica, la conveccion no es una propiedad del sólido o del fluido, sino que depende de muchos parámetros del sistema.

Se sabe que varia según la geometría del sólido y el acabado de su superficie, la velocidad y la densidad del fluido y la conductividad térmica. Las diferencias de presión influyen también en la transferencia de calor por conveccion. Para entender como la conveccion es afectada por la geometría, solo hay que considerar las diferencias evidentes que se presentan por un piso cuya cara esta hacia arriba o por un cielorraso cuya cara esta hacia abajo. Se han desarrollado varios modelos para realizar estimaciones matemáticas de la transferencia de calor por conveccion, pero ninguno es lo suficientemente confiable para incluirlo en esta exposición.

18.5 Radiación.

El termino radiación se refiere a la emisión continua de energía en forma de ondas electromagnéticas originadas en el nivel atómico. Ejemplos de ondas electromagnéticas son los rayos gama, los rayos X, las ondas de luz, los rayos infrarrojos, las ondas de radio, y las de radar,; la única diferencia que existe entre ellas es la longitud de onda.

Así tenemos nuestra primera definición:

“La radiación térmica se debe a ondas electromagnéticas emitidas o absorbidas por un sólido, un .liquido o un gas debido a su temperatura.”

Todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten energía radiante. A bajas temperaturas, la razón de emisión es pequeña y la radiación predominante corresponde a longitudes de onda mas cortas.

Las mediciones experimentales han demostrado que la razón a la que es radiada ,la energia térmica desde una superficie varia directamente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo radiante. Dicho de oto modo, si la temperatura de un objeto se duplica, la razón con al que emite energía térmica se incrementa dieciséis veces.

Los objetos que son emisores eficientes de la radiación térmica son también eficientes para absorberla. Un objeto que absorbe toda la radiación que incide sobre su superficie se llama absorbedor ideal. Un objeto de este tipo sería también un radiador ideal.No existe un absorbedor realmente ideal; pero en general, cuanto mas negra se ala superficie, tanto mejor absorberá la energía térmica.

A veces un absorbedor ideal o u radiador ideal se conoce como cuerpo negro por las razones mencionadas. La radiación emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Aunque tales cuerpos no existen en realidad, el concepto es útil como un patrón para comparar la emisividad de diversas superficies.

“La emisividad e es una medida de la capacidad de un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica”

La emisividad es una cantidad adimensional que tiene un valor numérico entre 0 y 1, según la naturaleza de la superficie. En el caso de un cuerpo negro, es igual a l unidad. Para una superficie de plata perfectamente pulida el valor de la emisividad se aproxima a cero.

La razón de radiación R de un cuerpo se define formalmente como la energía radiante emitida por unidad de área por unidad de tiempo; dicho de otro modo, la potencia por unidad de área. Ósea:

R= E / TA = P/A
FORMULA 18.4



Si la potencia radiante P se expresa en watts y la superficie A en metros cuadrados, la razón de radiación estará expresada en watts por metro cuadrado. El enunciado formal de esta dependencia; conocida como la ley de Stefan-Boltzmann, se puede escribir como:

R=P/A = eσT ⁴
FORMULA 18.5


La constante de proporcionalidad σ es una constante universal completamente independiente de la naturaleza de la radiación.

Si la superficie radiante se expresa en watts y la superficie en metros cuadrados , σ tiene el valor de 5.67 X 10-8 W/m².

Un resumen de los símbolos y su definición aparece en la SIG. tabla:

La ley que sirve de fundamento a el fenómeno de un foco al interrumpir la energía eléctrica con la que se suministra la luz, se conoce como la ley de Prevost del intercambio de calor:

“Un cuerpo que se halla a la misma temperatura que sus alrededores irradia y absorbe calor con la misma razón”

La razón con la un cuerpo absorbe energía esta dada también por la ley de stefan .Por tanto podemos calcular la transferencia neta de energía radiante emitida por un objeto rodeado por paredes a diferentes temperaturas.

Razón de radiación neta= razón de emisión de energía – razón de absorción de energía

R= e σ T ⁴1 - e σ T ⁴2 así obtenemos;

R= e σ (T ⁴1 - T ⁴2)
FORMULA 18.6

Informacion de: Fisica, Conceptos y aplicaciones, septima edición. Tippens.Ed.Mc Graw Hill

Por Gabriela Márquez Francisco.