Esta rapidez de la transferencia de energía térmica.
Mecanismos de Transferencia de Calor
La energía se genera y se consume, para medirla se emplea en término de potencia, que se define como:
Potencia
energía [=] kJ, kWh[=] (Consumo)
Caso de estudio
Considere una conducción en estado estacionario a través de una pared plana como se muestra en la figura de acuerdo a datos experimentales:
1.- Q se duplica cuando se duplica el ΔT de uno a otro lado de la pared
2.- Q se duplica cuando se duplica el área perpendicular a la transferencia de calor
3.- Q se reduce a la mitad cuando se duplica el espesor (Δx)
Lo que ocurre es que realmente estamos interesados en la rapidez de transferencia de calor. La determinación de las velocidades de transferencia de calor hacia o desde un sistema y, por lo tanto, los tiempos de calentamiento o enfriamiento, así como la variación de la temperatura, es objeto de la ciencia de la transferencia de calor. Observe la taza de café caliente.
La transferencia de calor nos ayuda a resolver las cuestiones planteadas en el inicio de este escrito y juega un papel determinante en el diseño de prácticamente todos los equipos y dispositivos que nos rodean: Nuestros ordenadores y televisores deben considerar las tasas de transferencia de calor que permitan su enfriamiento para evitar sobrecalentamientos que afecten a su funcionamiento, los electrodomésticos como parrillas, secadoras y neveras tienen que asegurar las características de calentamiento/enfriamiento para las que van a ser comercializadas.
En la construcción de nuestros hogares, se realiza un estudio de transferencia de calor, en base al cual se determina el espesor del aislamiento térmico o del sistema de calefacción.
En el sector industrial, los equipos como intercambiadores de calor, calderas, hornos, condensadores, baterías, calentadores, refrigeradores y paneles solares están diseñados principalmente sobre la base del análisis de transferencia de calor. Equipos más sofisticados como coches y aviones requieren estos estudios que permita evitar calentamientos no deseados de motores.
Los procesos de transmisión de calor no sólo aumentan, disminuyen o mantiene las temperaturas de los cuerpos afectados, también pueden producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy elevadas, están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.
La transferencia del calor es pues el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. Este calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. Aunque estos tres métodos de transferencia tienen lugar muchas veces simultáneamente, habitualmente uno de los mecanismos predomina sobre los otros dos.
Conducción
La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de la iteración entre ellas. En la conducción no se produce transferencia de materia, sólo de energía.
En una región a mayor temperatura, las moléculas vibran o se mueven con una mayor velocidad. Al interactuar con las moléculas vecinas de menor temperatura, ya sean del mismo cuerpo o de otro que esté en contacto con el primero, les transfieren parte de su energía.
Considere una conducción en estado estacionario a través de una pared plana como se muestra en la figura de acuerdo a datos experimentales:
1.- Q se duplica cuando se duplica el ΔT de uno a otro lado de la pared
2.- Q se duplica cuando se duplica el área perpendicular a la transferencia de calor
3.- Q se reduce a la mitad cuando se duplica el espesor (L)
En 1822, el matemático francés Joseph Fourier formuló una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción/transferencia de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo:
El factor de proporcionalidad k se denomina conductividad térmica del material e indica la cantidad de calor que se transfiere por unidad de tiempo, por grado de temperatura y por unidad de longitud. A es un área que puede cambiar si depende de la distancia (dx), por lo que se debe usar una media adecuada (Am). En el caso de una sección normal constante – paredes de un edificio –, Am = A.
Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o la madera tienen conductividades menores y conducen muy mal el calor. No hay duda que para resolver las preguntas que iniciaron este documento, es necesario conocer perfectamente los materiales implicados y conocer su conductividad térmica y dimensiones en las temperaturas del proceso, ya que a través de ellos se produce una transferencia de calor por conducción.
Por lo tanto y si analizamos como enfriar nuestra cerveza desde un punto totalmente científico, será importante conocer las características de la aleación de aluminio de la lata y el espesor que tiene, puesto que la cerveza cederá calor a la lata por medio de una transferencia por conducción.
Convección
La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes. Se presenta cuando una superficie a cierta temperatura está en contacto con un fluido en movimiento a temperatura diferente. Puede darse en los 3 estados de la materia comúnmente en sólidos y por colisión y difusión en líquidos y gases.
Fue Newton con su Ley del enfriamiento quien indicó la forma de la transferencia a través de la ecuación, definiendo el calor transmitido desde la superficie de un sólido a un fluido en movimiento:
donde:
- Ts es la temperatura de la superficie del cuerpo – sólido
- T es la temperatura del fluido
- h es el coeficiente de transferencia de calor por convección
- A superficie que está en contacto con el fluido
Hay dos grandes tipos en función del origen del movimiento del fluido:
Convección natural, en la que el movimiento del fluido se debe exclusivamente a las diferencias en la densidad del fluido por la variación de temperatura entre dos puntos.
Convección forzada en la que el movimiento del fluido se debe a algún factor externo. La transferencia de calor es mejor con convección forzada, ya que el movimiento – la velocidad – es mucho mayor al existir además de la diferencia de densidad un apoyo por ese factor externo – bomba, ventilador, viento, agitador.
La temperatura de nuestro cuerpo es de 36.5 ºC aproximadamente y el aire ambiente que nos rodea está en general, a menor temperatura, por lo que constantemente cierta cantidad de calor se está transfiriendo desde nuestro cuerpo hacia el aire ambiente. Cuando la transferencia se produce con rapidez porque las dos temperaturas son bastante diferentes, notamos frio. Hemos transmitido energía desde nuestro cuerpo al aire ambiente por convección natural. Y evidentemente si hace mucho viento, tenemos más transferencia y mayor sensación de frío, ya que la convección es forzada.
El coeficiente de transferencia de calor por convección h de la expresión matemática, depende básicamente de las características físicas y termodinámicas del fluido – densidad, calor específico, viscosidad – a las temperaturas en que se encuentre cuando evaluamos la transferencia de calor y como ya podemos suponer, de la velocidad del mismo en esos momentos.
Para resolver pues estas preguntas, ya sean cotidianas o profesionales, se debe no sólo conocer las características de los fluidos de nuestros procesos, sino también su estado – velocidad – en el proceso.
Radiación
La radiación es la transferencia de calor que se realiza a través de ondas electromagnéticas. Se podría catalogar como transporte molecular, ya que la energía es producida por el cambio en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivo y transportado por las ondas electromagnéticas o fotones. No existe contacto directo entre los dos medios y el intermedio o interfase no participa en las funciones de intercambio – en la mayoría de ocasiones es el aire, aunque también hay transferencia de calor a través del vacío -.
La radiación del cuerpo negro representa la cantidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una temperatura específica
El calor que recibe la Tierra desde el Sol, se transmite por radiación a través del espacio vacío. El calor que se siente al estar frente a una fogata también es transferido por radiación.
El físico alemán Max Planck en 1900, empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para formular la ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada, con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal – cuerpo negro – emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.
La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. A partir de la ley de Planck, dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron que el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de esa proporcionalidad se denomina constante de Stefan−Boltzmann en su honor:
donde:
- Ts es la temperatura de la superficie del cuerpo
- ε es el coeficiente de emisividad, propiedad del material que relaciona su capacidad de radiación térmica con la del cuerpo negro ideal
- σ es la constante de Stefan-Boltzmann,, = 5.67 x 10-8 W/m2 ºK4
- A es la superficie de emisión
Si tenemos presente que todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto, la expresión (3) se convierte en
Donde F1-2 es un módulo que pondera la relación geométrica de los dos cuerpos y sus coeficientes de emisividad.
En el proceso productivo del que hacíamos referencia al inicio de este escrito tendremos absolutamente implicados todos los procesos de transferencia de calor. El calor se transmitirá básicamente por convección en los intercambiadores, reactores y baterías de nuestra instalación, entre los fluidos caloportadores – fluido térmico, vapor, agua caliente – y los fluidos contenidos en dichos equipos.
El calor se generará a partir del combustible en una caldera con transferencia básicamente por radiación en su cámara de combustión y por convección en serpentines o tubos de humos. Finalmente en el cálculo para evitar pérdidas a través de las tuberías o de los equipos, deberemos considerar las características y espesor del aislamiento térmico, ya que la transferencia de calor entre la pared metálica de tubos o de intercambiadores y nuestro aislamiento se realiza por medio de conducción.
Hasta aquí una visión rápida de los procesos de transferencia de calor. La gran cantidad de aplicaciones y su complejidad y diversidad, hacen que las cuatro fórmulas mencionadas en este documento se deriven en centenares, para poder considerar cada particularidad y permiten para cada aplicación concreta disponer de criterios específicos y adecuados de diseño.
Mecanismos combinados
En las secciones de los mecanismos de transferencia se ha estudiado y analizado algunos ejemplos en los cuales se transfiere la energía en forma de calor, en este punto hemos estudiado o simplificado estos fenómenos de forma aislada y en forma mutuamente excluyentes, haciendo un breve resumen se ha observado que el mecanismo físico de convección está relacionado con la conducción de calor a través de la fina capa de fluido adyacente a la superficie de transferencia de calor. Tanto en conducción como en convección es aplicable la ley de Fourier, aunque debe intervenir la mecánica de fluidos en el problema de la convección para establecer el gradiente de temperatura.
La transferencia de calor por radiación implica un mecanismo físico diferente: el de la propagación de energía electromagnética. Para estudiar este tipo de transferencia de energía introducimos el concepto de radiador ideal, o cuerpo negro, que irradia energía a una tasa proporcional a su temperatura absoluta a la cuarta potencia.
Sin embargo, existen sistemas en donde debemos de considerar los ytres mecanismo de transferencia en los componentes del sistema, pudiendo llevarse a cabo de forma simultánea dos mecanismos de transferencia. Las combinaciones físicamente posibles son: convección-radiación o conducción-radiación. En ningún momento ni bajo ninguna circunstancia se presentará la combinación convección-conducción. Pues mientras en uno es requisito el movimiento dentro del sistema que se pudiese estar estudiando, el otro exige la condición contraria. Dicho de otra forma, más coloquial, para la sustancia de trabajo “o se mueve o no lo hace.”
A continuación, en la figura siguiente podemos destacar como un sistema si pueden llevarse a cabo los tres mecanismos pero de forma conjunta solo podrán ser las combinaciones ya mencionadas.
En este caso, el calor conducido a través de la placa se elimina de la superficie de la placa mediante una combinación de convección y radiación. Un balance energético daría
