Transmisión de calor

En física térmica, la transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo más caliente a otro más frío. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la ley cero de la termodinamica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

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Resumen

La transferencia de calor clásica ocurre solamente a través de los procesos de conducción, convección, radiación o cualquier combinación de ellos. La transferencia de calor asociada al cambio de fase de una sustancia (como, por ejemplo, la asociada al proceso de ebullición del agua líquida) a veces se considera como un tipo de convección.

La transferencia de calor es de particular interés para los ingenieros, quienes intentan comprender y controlar el flujo de calor a través de los aislamientos térmicos, intercambiadores de calor, y otros dispositivos. La transferencia de calor se enseña típicamente a los estudiantes y graduados de ingeniería mecánica y química.

• Calor — transferencia de energía térmica (es decir, de energía y entropía). Ocurre siempre desde un material caliente a uno más frío. La transferencia de calor puede cambiar la energía interna de los materiales.
• Energía interna — la energía que poseen todas las moléculas y electrones de los que están compuestos los materiales por el hecho de estar vibrando continuamente (excepto en el caso de que estos se encontrasen en el cero absoluto y, entonces, estarían totalmente inmóviles).
• Conducción — transferencia de calor por difusión o vibración de los electrones. (ver más abajo).
• Convección — transferencia de calor por conducción en un medio en movimiento, como un fluido. (ver más abajo).
• Radiación — transferencia de calor por radiación electromagnética o, equivalentemente, por fotones. (ver más abajo).

Conducción

La conducción es la transferencia de calor desde una región de alta temperatura a una región de temperatura más baja a través de comunicación molecular directa en el interior de un medio o entre medios en contacto físico directo sin flujo del medio material. La transferencia de energía puede ser, en primera instancia, por impacto elástico como en un fluido; por difusión libre de electrones como predomina en los materiales, o vibraciones de electrones (Fonón) como predomina en los aisladores. En otras palabras, el calor es transferido por conducción cuando átomos adyacentes vibran unos contra otros, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es mayor en sólidos, cuando los átomos están en contacto constante. En líquidos (excepto cuando son líquidos metálicos) y gases, las moléculas están aleatoriamente separadas, dándole una menor oportunidad a estas el chocar y el transferir la energía térmica.

La conducción del calor es directamente análoga a la difusión de partículas en un fluido, en la situación en la que no hay fluido. Este tipo de difusión de calor difiere de la difusión de masa en comportamiento solamente, ya que puede ocurrir en sólidos, mientras que la difusión de masa se limita solo a los líquidos.

Los metales (por ejemplo el cobre) son usualmente los mejores conductores de energía térmica. Esto es debido a la manera como los metales están enlazados químicamente: Los enlaces metálicos (a diferencia del enlace covalente o del enlace iónico) tienen electrones en movimiento libre y forman una estructura cristalina, ayudando, en gran medida, a la transferencia de energía térmica.

Los fluidos (líquidos (excepto los metales líquidos) y gases) no son típicamente buenos conductores. Esto es debido a la gran distancia entre átomos en los gases: a menores colisiones de átomos hay menos conducción. A medida que la densidad disminuye, así también la conducción. La conductividad de los gases aumenta con la temperatura pero solo levemente a presiones cercanas o por encima de la atmosférica. La conducción no aparece del todo en vacío perfecto.

Para cuantificar la facilidad con la cual un medio en particular conduce el calor, los ingenieros emplean la conductividad térmica, conocida también como constante de conductividad o coeficiente de conducción, k. Se define k como "la cantidad de calor, Q, transferida en un tiempo t, a través de una logitud L, en una dirección perpendicular a una superficie de área A, debido a una diferencia de temperatura ΔT [...]." La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que es primordialmente dependiente de la fase del medio, la temperatura, la densidad y la interacción molecular.

Un tubo de calor es un dispositivo pasivo que se construye de manera que actúe como si tuviera conductividad térmica extremadamente alta.

Convección

La convección es la combinación de conducción y transferencia de energía térmica a través de fluidos en movimiento o el movimiento de grupos de partículas calientes hacia áreas más frías en un medio material. A diferencia de conducción pura, ahora, fluido en movimiento está adicionalmente envuelto en la convección. Este movimiento ocurre en fluidos o en el interior de ellos,pero no en sólidos. porque en estos, las partículas mantienen su posición relativa hasta tal punto que no se permite el movimiento o el flujo en masa de las mismas, y por lo tanto la conexión no puede ocurrir.

La convección sucede en dos formas: convección natural y convección forzada.

En la convección natural, el fluido circula alrededor de una fuente de calor, se vuelve menos denso y se eleva. Entonces en los alrededores, el fluido más frío se mueve para remplazarlo. Este fluido frío es entonces calentado y el proceso continúa, formando la convección. La fuerza impulsora de la convección natural es la flotabilidad, como resultado de las diferencias en la densidad del fluido cuando la gravedad o cualquier otro tipo de aceleración está presente en el sistema.

La convección forzada, en contraste, ocurre cuando bombas, ventiladores u otros mecanismos son usados para impulsar el fluido y crear una convección artificielmente inducida.

La transferencia de calor por convección forzada se denomina a veces advección de calor, o a veces solo advección para simplificar. Pero la advección es un proceso más general, y en la advección de calor, la sustancia que está siendo "adveccionada" en el campo del fluido es simplemente calor (En vez de masa, la cual es el otro componente natural en dichas situaciones, como la transferencia de masa y la transferencia de calor comparten generalmente las mismas ecuaciones).

En algunos sistemas de transferencia de calor, tanto la convección forzada como la natural contribuyen significativamente al índice de transferencia de calor.

Para calcular el índice de convección entre un objeto y su alrededor líquido, los ingenieros emplean el coeficiente convectivo de transferencia de calor, h. A diferencia de la conductividad térmica, el coeficiente convectivo no es una propiedad del material. El coeficiente convectivo depende de la geometría, fluido, temperatura, velocidad y otras características del sistema en el cual la convección ocurre. Por lo tanto, el coeficiente convectivo debe ser derivado o encontrado experimentalmente para cada sistema analizado. Las fórmulas y las correlaciones están disponibles en muchas referencias para calcular el coeficiente convectivo para configuraciones y fluidos típicos.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor a través de la radiación electromagnética. Fríos o calientes, todos los objetos emiten radiación a un índice igual a su emisividad multiplicada por la radiación que emitiría si fuera un cuerpo negro. Para que la radiación ocurra no se necesita ningún medio; la radiación incluso ocurre en vacío perfecto. La radiación del Sol viaja a través del vacío del espacio antes de calentar la tierra. Además, la única forma que la energía deje la tierra es que sea emitida a través de radiación hacia el espacio.

Tanto la reflectividad como la emisividad de los cuerpos depende de la longitud de onda. La temperatura determina la longitud de onda y la distribución de la radiación electromagnética esta limitada de acuerdo con la ley de Planck sobre la radiación de un cuerpo negro. Para cualquier cuerpo, la reflectividad depende de la distribución de longitud de onda para la radiación electromagnética entrante, y por ello de la temperatura de la fuente de radiación. Por otro lado, la emisividad depende de la longitud de onda y por lo tanto, de la temperatura del cuerpo mismo. Por ejemplo, la nieve, la cual tiene una alta reflectividad de la luz visible (alrededor de 0.90) parece blanca debido a la luz solar reflejada con una longitud de onda de alrededor 0.5 micrometros. Su emisividad, sin embargo, a una temperatura de -5°C y longitud de onda de 12 micrómetros, es de 0.99.

Los gases absorben y emiten energía en diferentes longitudes de onda formando patrones característicos para cada gas.

La luz visible es simplemente otra forma de radiación electromagnética con una longitud de onda corta (y una alta frecuencia) que emite radiación. La diferencia entre la luz visible y la radiación de objetos a temperaturas convencionales es pequeña, se podría decir por lo tanto que hay diferentes "colores" de radiación electromagnética.

Aislamiento y barreras de radiación

Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo de calor limitando la conducción, convección o ambos. Las barreras de radiación, son materiales que reflejan la radiación, reduciendo asi el flujo de calor de fuentes de radiación térmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.

La efectividad de un aislante está indicado por su resistencia (R). La resistencia de un material es el inverso del coeficiente de conducción (k) multiplicado por el grosor (d) del aislante. Las unidades para la resistencia son en el Sistema Internacional: (K•m²/W).

La fibra de vidrio rígida, un material aislante usado comunmente, tiene un valor R de 4 por pulgada, mientras que el cemento, un mal conductor, tiene un valor de 0.08 por pulgada.^[1]

La efectividad de una barrera de radiación está indicado por su reflectividad, la cual es una fracción de la radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (en una longitud de onda) tiene una baja absorbitividad, y por consiguiente una baja emisividad. Un reflector ideal tiene un coeficiente de reflectividad igual a 1, lo que significa que refleja el 100% de la radiación entrante. Por otro lado, en el caso de un cuerpo negro, el cual tiene una excelente absorbitividad y emitividad de la radiación térmica, su coeficiente de reflectividad es casi 0. Las barreras de radiación tiene una gran aplicación en ingeniería aeroespacial; la gran mayoría de los satélites usan varias capas aislantes aluminizadas que reflejan la luz solar, lo que permite reducir la transferencia de calor y controlar la temperatura del satélite.

Intercambiadores de calor

Un Intercambiador de calor es un dispositivo construido para intercambiar eficientemente el calor de un fluido a otro, tanto si los fluido están separados por una pared sólida para prevenir su mezcla, como si están en contacto directo. Los cambiadores de calor son muy usados en refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, producción de energía, y procesamiento químico. Un ejemplo básico de un cambiador de calor es el radiador de un coche, en el que el líquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador.

Las disposiciones más comunes de cambiadores de calor son flujo paralelo, contracorriente y flujo cruzado. En el flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección durante la transmisión de calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en sentido contrario y en flujo cruzado los fluidos se mueven formando un ángulo recto entre ellos. Los tipos más comunes de cambiadores de calor son de carcasa y tubos, de doble tubo, tubo extruido con aletas, tubo de aleta espiral, tubo en U, y de placas. Puede obtenerse más información sobre los flujos y configuraciones de los cambiadores de calor en el artículo intercambiador de calor.

Cuando los ingenieros calculan la transferencia teórica de calor en un intercambiador, deben lidiar con el hecho de que el gradiente de temperaturas entre ambos fluidos varía con la posición. Para solucionar el problema en sistemas simples, suele usarse la diferencia de temperaturas media logarítmica (DTML) como temperadura 'media'. En sistemas más complejos, el conocimiento directo de la DTML no es posible y en su lugar puede usarse el método de número de unidades de transferencia (NUT).

Transferencia de calor en ebullición

Plantilla:See also La transferencia de calor en fluidos en ebullición es compleja, pero de una importancia técnica considerable. Se caracteriza por una curva en forma de s al relacionar el flujo de calor con la diferencia de temperaturas en superficie (ver Kay & Nedderman 'Fluid Mechanics & Transfer Processes', CUP, 1985, p529).

At low driving temperatures, no boiling occurs and the heat transfer rate is controlled by the usual single-phase mechanisms. As the surface temperature is increased, local boiling occurs and vapour bubbles nucleate, grow into the surrounding cooler fluid, and collapse. This is sub-cooled nucleate boiling and is a very efficient heat transfer mechanism. At high bubble generation rates the bubbles begin to interfere and the heat flux no longer increases rapidly with surface temperature (this is the departure from nucleate boiling DNB). At higher temperatures still, a maximum in the heat flux is reached (el flujo crítico de calor). The regime of falling heat transfer which follows is not easy to study but is believed to be characterised by alternate periods of nucleate and film boiling.

At higher temperatures still, the hydrodynamically quieter regime of film boiling is reached. Heat fluxes across the stable vapour layers are low, but rise slowly with temperature. Any contact between fluid and the surface which may be seen probably leads to the extremely rapid nucleation of a fresh vapour layer ('nucleación espontánea').

La transferencia de calor en educación

Heat transfer is typically studied as part of a general ingeniería química, Ingeniería Agrícola or ingeniería mecánica curriculum. Typically, termodinámica is a condición previa to undertaking a course in heat transfer, as the laws of thermodynamics are essential in understanding the mechanism of heat transfer. Other courses related to heat transfer include conversión de energía, thermofluids and transferencia de materia.

Los métodos de transferencia de calor se usan en las siguientes disciplinas, entre otras:

• Ingeniería de automoción
• Thermal management of electronic devices and systems
• HVAC
• Aislamiento
• Procesamiento de materiales
• Ingeniería de centrales de energía

Véase también

• Calor
• Conducción térmica por contacto
• Aislamiento térmico
• Física térmica
• Ciencia de calor
• LMTD
• Método NUT

Otros temas fundamentales de ingeniería

• Análisis de circuitos de resistencia
• Dinámica
  • Termodinámica
  • Hidrodinámica
• Economía ingenieril
• Ciencia de materiales
  • Resistencia de materiales
• Estática

Referencias

Revistas relacionadas

En inglés:

• Heat Transfer Engineering[1]
• Experimental Heat Transfer[2]
• International Journal of Heat and Mass Transfer[3]
• ASME Journal of Heat Transfer[4]
• Numerical Heat Transfer Part A[5]
• Numerical Heat Transfer Part B[6]
• Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering[7]

Enlaces externos

En inglés:

• Heat Transfer Tutorial Modes of heat transfer (conduction, convection, radiation) within or between media are explained, together with calculations and other issues such as heat transfer barriers - Spirax Sarco
• Heat Transfer Podcast - Arun Majumdar - Department of Mechanical Engineering - University of California, Berkeley
• Heat Transfer Basics - Overview
• A Heat Transfer Textbook - Downloadable textbook (free)
• Hyperphysics Article on Heat Transfer - Overview
• Heat transfer fundamentals
• A molecular heatwave?