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Transferencia de calor




Enviado por nelson_fime



    1. Convección
    2. Radiación

    Transferencia de calor, en física, 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.
    El calor se
    transfiere mediante convección, radiación
    o conducción. Aunque estos tres procesos
    pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno
    de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el
    calor se transmite a través de la pared de una casa
    fundamentalmente por conducción, el agua de una
    cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta
    en gran medida por convección, y la Tierra
    recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

     El calor puede transferirse de tres formas: por
    conducción, por convección y por radiación.
    La conducción es la transferencia de calor a través
    de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un
    atizador se caliente aunque sólo la punta esté en
    el fuego. La convección transfiere calor por el
    intercambio de moléculas frías y calientes: es la
    causa de que el agua de una
    tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte
    inferior esté en contacto con la llama. La
    radiación es la transferencia de calor por
    radiación electromagnética (generalmente
    infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego
    calienta la habitación.

    CONDUCCIÓN

    En los sólidos, la única forma de
    transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un
    extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su
    temperatura,
    el calor se transmite hasta el extremo más frío por
    conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo
    exacto de la conducción de calor en los sólidos,
    pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de
    los electrones libres que transportan energía cuando
    existe una diferencia de temperatura. Esta teoría
    explica por qué los buenos conductores eléctricos
    también tienden a ser buenos conductores del calor. En
    1822, el matemático francés Joseph Fourier dio 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 de calor a través de un cuerpo por
    unidad de sección transversal es proporcional al gradiente
    de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo
    cambiado).

    El factor de proporcionalidad se denomina
    conductividad térmica del material. 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 el
    amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces
    menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.
    En ingeniería resulta necesario conocer la
    velocidad de
    conducción del calor a través de un sólido
    en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para
    averiguarlo se requieren técnicas
    matemáticas muy complejas, sobre todo si el
    proceso
    varía con el tiempo; en este
    caso, se habla de conducción térmica transitoria.
    Con la ayuda de ordenadores (computadoras)
    analógicos y digitales, estos problemas
    pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de
    geometría complicada.

    CONVECCIÓN

    Si existe una diferencia de temperatura en el
    interior de un líquido o un gas, es casi
    seguro que se
    producirá un movimiento del
    fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido
    a otra por un proceso llamado convección. El movimiento
    del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un
    líquido o un gas, su densidad (masa
    por unidad de volumen) suele
    disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo
    gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso
    asciende, mientras que el fluido más frío y
    más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido
    exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido,
    se denomina convección natural. La convección
    forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de
    presiones, con lo que se fuerza su
    movimiento de acuerdo a las leyes de la
    mecánica de fluidos.

    Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo
    una cacerola llena de agua. El
    líquido más próximo al fondo se calienta por
    el calor que se ha transmitido por conducción a
    través de la cacerola. Al expandirse, su densidad
    disminuye y como resultado de ello el agua
    caliente asciende y parte del fluido más frío baja
    hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de
    circulación. El líquido más frío
    vuelve a calentarse por conducción, mientras que el
    líquido más caliente situado arriba pierde parte de
    su calor por radiación y lo cede al aire situado por
    encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de
    gas, como la cámara de aire situada
    entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire
    situado junto al panel exterior —que está más
    frío— desciende, mientras que al aire cercano al
    panel interior —más caliente— asciende, lo que
    produce un movimiento de circulación.

    El calentamiento de una habitación mediante un
    radiador no depende tanto de la radiación como de las
    corrientes naturales de convección, que hacen que el aire
    caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de
    la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el
    aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los
    radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los
    aparatos de aire
    acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea
    máxima. De la misma forma, la convección natural es
    responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor
    en las calderas de
    convección natural, y del tiro de las chimeneas. La
    convección también determina el movimiento de las
    grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la
    acción de los vientos, la formación de nubes, las
    corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el
    interior del Sol hasta su superficie.

    RADIACIÓN

    La radiación presenta una diferencia
    fundamental respecto a la conducción y la
    convección: las sustancias que intercambian calor no
    tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por
    un vacío. La radiación es un término que se
    aplica genéricamente a toda clase de fenómenos
    relacionados con ondas
    electromagnéticas. Algunos fenómenos de la
    radiación pueden describirse mediante la teoría
    de ondas, pero la
    única explicación general satisfactoria de la
    radiación electromagnética es la teoría
    cuántica. En 1905, Albert
    Einstein sugirió que la radiación presenta a
    veces un comportamiento
    cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la
    radiación se comporta como minúsculos proyectiles
    llamados fotones y no como ondas. La naturaleza
    cuántica de la energía radiante se había
    postulado antes de la aparición del artículo de
    Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck
    empleó la teoría cuántica y el formalismo
    matemático de la mecánica estadística para derivar una ley
    fundamental de la radiación. La expresión matemática
    de esta ley, llamada distribución de Planck, 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. Como
    puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor
    de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su
    temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina
    constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos
    austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884
    respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el
    poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck,
    todas las sustancias emiten energía radiante sólo
    por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor
    es la temperatura, mayor es la cantidad de energía
    emitida. Además de emitir radiación, todas las
    sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito
    de hielo emite energía radiante de forma continua, se
    funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque
    absorbe una cantidad de calor mayor de la que
    emite.

    Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la
    radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y
    rugosas absorben más calor que las superficies brillantes
    y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más
    energía radiante que las superficies mates. Además,
    las sustancias que absorben mucha radiación también
    son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y
    absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de
    cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción
    y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo
    que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la
    cazuela.

    Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el
    vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de
    radiación. Se observa experimentalmente que las
    propiedades de absorción, reflexión y
    transmisión de una sustancia dependen de la longitud de
    onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo,
    transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de
    baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos
    infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la
    distribución de Planck es que la longitud
    de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de
    energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de
    desplazamiento de Wien, llamada así en honor al
    físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión
    matemática de esta observación, y afirma que la longitud de
    onda que corresponde a la máxima energía,
    multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a
    una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto
    con las propiedades de transmisión del vidrio antes
    mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La
    energía radiante del Sol, máxima en las longitudes
    de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra
    en el invernadero. En cambio, la
    energía emitida por los cuerpos del interior del
    invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores,
    correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a
    través del vidrio. Así, aunque la temperatura del
    aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que
    hay dentro es mucho más alta porque se produce una
    considerable transferencia de calor neta hacia su
    interior.

    Además de los procesos de
    transmisión de calor que aumentan o disminuyen las
    temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de
    calor también puede 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. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que
    regresan a la atmósfera de la
    Tierra a
    velocidades muy altas 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.

     

    Nelson Diaz Tapia

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