Mecanismos de transferencia de calor

En esta unidad se describen los conceptos que dan sustento a la Transferencia de Calor. Los temas a explorar son:

Mecanismos de transferencia de energía
Conducción
Convección. Transferencia de calor en líquidos
Radiación

Conducción

Si tomamos una varilla de cobre con la mano y colocamos uno de sus extremos en la llama de un mechero, no pasará mucho tiempo antes de que observemos que la porción que tenemos en la mano se calienta y, en ciertos casos, llegará un momento en que deberemos soltarla. Si repetimos la experiencia con una varilla de vidrio llegaremos a la conclusión de que podemos tenerla perfectamente con una mano de uno de sus extremos sin notar el más leve calentamiento aun cuando su otro extremo se halle al rojo vivo.

Se recordará que entre las partículas que forman el sólido existen fuerzas relativamente intensas. Los átomos se comportan como si estuvieran conectados por resortes con sus vecinos, los átonos de la varilla en el extremo más cercano a la flama son bombardeados por moléculas de gas de gran energía en la flama; absorben energía y oscilan más violentamente que antes; transmiten energía cinética a sus vecinas, y esta energía va siendo transmitida como calor hacia el extremo más frío de la varilla, (si la varilla es de metal, el proceso es especialmente rápido, porque hay electrones libres dentro del metal que ayudan a transportar energía, cinética a lo largo de aquella). En los líquidos, y en los gases las moléculas se mueven con mayor libertad que en los sólidos, pero el proceso de conducción es también una entrega de energía cinética de las moléculas que se mueven más rápidamente a las más lentas. En la conducción solamente pasa calor de un lugar a otro, los átomos no.

Ahora bien, la temperatura no es la misma a lo largo de toda la barra de cobre pues en el extremo calentado es mayor que en el otro.

Si se midiesen las temperaturas se obtendría un resultado análogo al representado en la figura anterior.

Estos hechos se deben a que a igualdad de condiciones, a través del cobre pasa por conducción una cantidad de calor mayor que a través del plomo, y a través de éste, a su vez más que del vidrio.

Se clasifican así las distintas substancias en buenas conductoras y malas conductoras (aisladoras) del calor. Entre las buenas conductoras figuran en primer término los metales entre éstos, la plata y el cobre ocupan los primeros lugares; el hierro y el plomo son simplemente conductores. El vidrio, la porcelana, la madera, la lana, etc, son malos conductores del calor.

El uso de ropa de lana en invierno se basa en que dicho material, al ser mal conductor del calor, aísla el cuerpo del medio ambiente más frío o impide la pérdida de calor de nuestro organismo. Se sabe que resultan más eficaces para esta finalidad dos prendas de vestir delgadas que una gruesa. Esto se debe a que entre las dos prendas se establece una capa de aire, que es muy mal conductor del calor.

La propiedad que mide lo buen o mal conductor del calor es el calor específico y se representa como Cp.

Convección

La experiencia de la figura nos demuestra que el agua es una sustancia muy mala conductora del calor. Esta propiedad es general para todos los líquidos a excepción del mercurio. Sin embargo aplicando calor en la parte inferior de una olla que contiene agua, se puede calentar toda la masa líquida. ¿Cuál es la razón de que se pueda hacer eso siendo el agua tan mala conductora? Estudiemos el fenómeno de cerca.

Las porciones que se hallan en contacto con el fondo caliente se calientan. Se ha visto que, al calentarse el agua (o una substancia cualquiera a excepción de la propia agua, entre 0°C y 4°C), su densidad disminuye, de modo tal que las porciones calientes ascienden en el seno de las más frías siendo reemplazados por ellas y de este modo todo el líquido se calienta. Esto explica perfectamente la experiencia de la figura anterior, pues el agua caliente, menos densa, no desciende en el seno de la fría más densa. Esta aplicación está apoyada por la existencia de corriente en los fluidos (líquidos y gases) en cuyo interior existen diferencias de temperaturas.

¿En qué difiere este mecanismo de propagación del calor del que llamamos conducción? En ese caso el calor se trasmitía de una zona de un cuerpo a otra sin movimiento de las partículas del cuerpo. En cambio, en este caso, la propagación se realiza mediante el transporte de partículas de fluidos de un punto a otro del cuerpo. Esta manera de propagarse el calor se llama convección.

Es evidente que sólo en los gases y líquidos (fluidos) pueden producirse corrientes de convección, pues en los sólidos las distintas porciones mantiene posiciones recíprocas fijas.

La convección es el método por el que se propaga principalmente el calor en los fluidos dado que se trata de cuerpos muy malos conductores. Para evitar, por ejemplo, que el aire transmita calor, basta con evitar que se mueva, y por este motivo una capa de aire en reposo es uno de los aisladores más perfectos. Los vientos son grandes corrientes de convección en la atmósfera.

Una aplicación interesante de la convección se tiene en los dispositivos de calefacción de habitaciones. El agua de la caldera, más caliente, asciende por la tubería y la de los tubos más fríos, desciende.

RADIACIÓN

Si en el interior de una campana a la cual se le ha practicado el vacío, se coloca un cuerpo calentado al rojo, suspendido, se podrá percibir el aumento de temperatura en las paredes de la campana. ¿Cómo se ha propagado el calor del cuerpo caliente a las paredes de la campana? Entre ambos no existe materia que pueda conducir el calor ni un fluido en el que se produzca convección. Esta manera de propagarse el calor, a través del vacío se llama radiación.

El calor solar nos llega por radiación a través del espacio vacío existente entre nuestra atmósfera y la del sol. La propagación del calor por radiación se produce simultáneamente con la convección y la conducción. Así, por ejemplo, el fuego de una chimenea y un radiador de calefacción calientan una habitación, principalmente por radiación a pesar de que en ese proceso también intervienen las otras dos formas.

La radiación pura se trata de algo distinto a los dos otros modos de propagación, pues en ella el calor se transforma en energía radiante que se propaga en el vacío o en el espacio vacío comprendido entre las partículas materiales, y esa energía radiante vuelve a transformarse en térmica al incidir sobre una superficie absorbente.

La cantidad de calor irradiada en un dado tiempo por un cuerpo depende del área y de la naturaleza de la superficie del mismo. En general las superficies mates, ásperas y de color oscuro irradian, a igualdad de las demás circunstancias (por ejemplo temperatura), más calor que las brillantes, lisas y claras. Por este motivo las superficies de los radiadores de calefacción son rugosas y oscuras.

Uno de los hechos más interesantes referentes a este asunto es que las superficies que irradian mejor son también las que absorben mejor la energía radiante. Una experiencia nos convencería de esto. Si tenemos una pieza de porcelana blanca con un dibujo negro la porción negra parece menos brillante que la blanca a la temperatura ambiente, esto es, la negra absorbe más.