Transferencia de calor

Transporte de energía térmica en sistemas físicos

Simulación de la convección térmica en el manto terrestre . Los colores van del rojo y el verde al azul a medida que disminuyen las temperaturas. Una capa límite inferior caliente y menos densa envía columnas de material caliente hacia arriba, y el material frío de la parte superior se mueve hacia abajo.

La transferencia de calor es una disciplina de la ingeniería térmica que se ocupa de la generación, el uso, la conversión y el intercambio de energía térmica ( calor ) entre sistemas físicos. La transferencia de calor se clasifica en varios mecanismos, como la conducción térmica , la convección térmica , la radiación térmica y la transferencia de energía por cambios de fase . Los ingenieros también consideran la transferencia de masa de diferentes especies químicas (transferencia de masa en forma de advección ), ya sea fría o caliente, para lograr la transferencia de calor. Si bien estos mecanismos tienen características distintas, a menudo ocurren simultáneamente en el mismo sistema.

La conducción de calor, también llamada difusión, es el intercambio microscópico directo de energía cinética de partículas (como moléculas) o cuasipartículas (como ondas reticulares) a través de la frontera entre dos sistemas. Cuando un objeto está a una temperatura diferente de otro cuerpo o de su entorno, el calor fluye de manera que el cuerpo y el entorno alcanzan la misma temperatura, momento en el que se encuentran en equilibrio térmico . Dicha transferencia de calor espontánea siempre ocurre desde una región de alta temperatura a otra región de temperatura más baja, como se describe en la segunda ley de la termodinámica .

La convección de calor se produce cuando el flujo de un fluido (gas o líquido) transporta su calor a través del fluido. Todos los procesos convectivos también desplazan el calor en parte por difusión. El flujo de fluido puede verse forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitatorios), por fuerzas de flotabilidad provocadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), lo que influye en su propia transferencia. El último proceso se suele denominar "convección natural". El primer proceso se suele denominar "convección forzada". En este caso, el fluido se ve obligado a fluir mediante el uso de una bomba, un ventilador u otros medios mecánicos.

La radiación térmica se produce a través del vacío o de cualquier medio transparente ( sólido , fluido o gas ). Es la transferencia de energía por medio de fotones u ondas electromagnéticas regidas por las mismas leyes. ^[1]

Descripción general

Intensidad de la radiación térmica de onda larga de la Tierra , procedente de las nubes, la atmósfera y la superficie.

La transferencia de calor es la energía que se intercambia entre materiales (sólido/líquido/gas) como resultado de una diferencia de temperatura. La energía libre termodinámica es la cantidad de trabajo que puede realizar un sistema termodinámico. La entalpía es un potencial termodinámico , designado con la letra “H”, que es la suma de la energía interna del sistema (U) más el producto de la presión (P) por el volumen (V). El julio es una unidad para cuantificar la energía , el trabajo o la cantidad de calor. ^[2]

La transferencia de calor es una función de proceso (o función de trayectoria), a diferencia de las funciones de estado ; por lo tanto, la cantidad de calor transferida en un proceso termodinámico que cambia el estado de un sistema depende de cómo ocurre ese proceso, no solo de la diferencia neta entre los estados inicial y final del proceso.

La transferencia de calor termodinámica y mecánica se calcula con el coeficiente de transferencia de calor , la proporcionalidad entre el flujo de calor y la fuerza impulsora termodinámica para el flujo de calor. El flujo de calor es una representación cuantitativa y vectorial del flujo de calor a través de una superficie. ^[3]

En el contexto de la ingeniería, el término calor se toma como sinónimo de energía térmica. Este uso tiene su origen en la interpretación histórica del calor como un fluido ( calórico ) que puede transferirse por diversas causas, ^[4] y que también es común en el lenguaje del profano y de la vida cotidiana.

Las ecuaciones de transporte de energía térmica ( ley de Fourier ), momento mecánico ( ley de Newton para fluidos ) y transferencia de masa ( leyes de difusión de Fick ) son similares, ^{[5] [6]} y se han desarrollado analogías entre estos tres procesos de transporte para facilitar la predicción de la conversión de cualquiera de ellos a los otros. ^[6]

La ingeniería térmica se ocupa de la generación, el uso, la conversión, el almacenamiento y el intercambio de transferencia de calor. Como tal, la transferencia de calor está involucrada en casi todos los sectores de la economía. ^[7] La ​​transferencia de calor se clasifica en varios mecanismos, como conducción térmica , convección térmica , radiación térmica y transferencia de energía por cambios de fase .

Mecanismos

Los cuatro modos fundamentales de transferencia de calor ilustrados con una fogata

Los modos fundamentales de transferencia de calor son:

Advección

La advección es el mecanismo de transporte de un fluido de un lugar a otro y depende del movimiento y el momento de ese fluido.

Conducción o difusión

Transferencia de energía entre objetos que están en contacto físico. La conductividad térmica es la propiedad de un material de conducir el calor y se evalúa principalmente en términos de la ley de Fourier para la conducción del calor.

Convección

Transferencia de energía entre un objeto y su entorno, debido al movimiento de un fluido. La temperatura media es una referencia para evaluar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor por convección.

Radiación

La transferencia de energía mediante la emisión de radiación electromagnética .

Advección

Al transferir materia, la energía, incluida la energía térmica, se mueve mediante el traslado físico de un objeto caliente o frío de un lugar a otro. Esto puede ser tan simple como colocar agua caliente en una botella y calentar una cama, o el movimiento de un iceberg en corrientes oceánicas cambiantes. Un ejemplo práctico es la termohidráulica . Esto se puede describir con la fórmula: donde $${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$$

• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor (W/m2 ⁾ ,
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad (kg/m ³ ),
• ${\displaystyle c_{p}}$es la capacidad calorífica a presión constante (J/kg·K),
• ${\displaystyle \Delta T}$es la diferencia de temperatura (K),
• ${\displaystyle v}$es la velocidad (m/s).

Conducción

A escala microscópica, la conducción de calor ocurre cuando átomos y moléculas calientes, que se mueven o vibran rápidamente interactúan con átomos y moléculas vecinos, transfiriendo parte de su energía (calor) a estas partículas vecinas. En otras palabras, el calor se transfiere por conducción cuando los átomos adyacentes vibran entre sí, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es el medio más importante de transferencia de calor dentro de un sólido o entre objetos sólidos en contacto térmico . Los fluidos, especialmente los gases, son menos conductores. La conductancia por contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos en contacto. ^[8] El proceso de transferencia de calor de un lugar a otro sin el movimiento de partículas se llama conducción, como cuando se coloca una mano sobre un vaso de agua fría: el calor se conduce desde la piel caliente hasta el vaso frío, pero si la mano se sostiene a unos centímetros del vaso, se produciría poca conducción ya que el aire es un mal conductor del calor. La conducción en estado estacionario es un modelo idealizado de conducción que ocurre cuando la diferencia de temperatura que impulsa la conducción es constante, de modo que después de un tiempo, la distribución espacial de temperaturas en el objeto conductor no cambia más (ver la ley de Fourier ). ^[9] En la conducción en estado estacionario, la cantidad de calor que entra en una sección es igual a la cantidad de calor que sale, ya que el cambio de temperatura (una medida de la energía térmica) es cero. ^[8] Un ejemplo de conducción en estado estacionario es el flujo de calor a través de las paredes de una casa cálida en un día frío: dentro de la casa se mantiene a una temperatura alta y, afuera, la temperatura se mantiene baja, por lo que la transferencia de calor por unidad de tiempo se mantiene cerca de una tasa constante determinada por el aislamiento en la pared y la distribución espacial de la temperatura en las paredes será aproximadamente constante a lo largo del tiempo.

La conducción transitoria (véase la ecuación del calor ) se produce cuando la temperatura dentro de un objeto cambia en función del tiempo. El análisis de sistemas transitorios es más complejo y las soluciones analíticas de la ecuación del calor solo son válidas para sistemas modelo idealizados. Las aplicaciones prácticas generalmente se investigan utilizando métodos numéricos, técnicas de aproximación o estudios empíricos. ^[8]

Convección

El flujo de un fluido puede ser forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitatorios), por fuerzas de flotabilidad causadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), influyendo así en su propia transferencia. Este último proceso se suele denominar "convección natural". Todos los procesos convectivos también desplazan el calor en parte por difusión. Otra forma de convección es la convección forzada. En este caso, el fluido se ve obligado a fluir mediante el uso de una bomba, un ventilador u otro medio mecánico.

La transferencia de calor por convección , o simplemente, convección, es la transferencia de calor de un lugar a otro por el movimiento de fluidos , un proceso que es esencialmente la transferencia de calor a través de la transferencia de masa . El movimiento en masa del fluido mejora la transferencia de calor en muchas situaciones físicas, como entre una superficie sólida y el fluido. ^[10] La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases. Aunque a veces se analiza como un tercer método de transferencia de calor, la convección se utiliza normalmente para describir los efectos combinados de la conducción de calor dentro del fluido (difusión) y la transferencia de calor por el flujo de fluido en masa. ^[11] El proceso de transporte por flujo de fluido se conoce como advección, pero la advección pura es un término que generalmente se asocia solo con el transporte de masa en fluidos, como la advección de guijarros en un río. En el caso de la transferencia de calor en fluidos, donde el transporte por advección en un fluido siempre va acompañado también de transporte por difusión de calor (también conocido como conducción de calor), se entiende que el proceso de convección de calor se refiere a la suma del transporte de calor por advección y difusión/conducción.

La convección libre o natural se produce cuando los movimientos de fluidos en masa (corrientes y corrientes) son causados ​​por fuerzas de flotabilidad que resultan de variaciones de densidad debido a variaciones de temperatura en el fluido. La convección forzada es un término que se utiliza cuando las corrientes y corrientes en el fluido son inducidas por medios externos, como ventiladores, agitadores y bombas, creando una corriente de convección inducida artificialmente. ^[12]

Refrigeración por convección

El enfriamiento convectivo a veces se describe como la ley de enfriamiento de Newton :

La tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno .

Sin embargo, por definición, la validez de la ley de enfriamiento de Newton requiere que la tasa de pérdida de calor por convección sea una función lineal ("proporcional a") la diferencia de temperatura que impulsa la transferencia de calor, y en el enfriamiento convectivo esto a veces no es así. En general, la convección no depende linealmente de los gradientes de temperatura y, en algunos casos, es fuertemente no lineal. En estos casos, la ley de Newton no se aplica.

Convección vs. conducción

En un cuerpo de fluido que se calienta desde abajo de su recipiente, se puede considerar que la conducción y la convección compiten por el predominio. Si la conducción de calor es demasiado grande, el fluido que se mueve hacia abajo por convección se calienta por conducción tan rápido que su movimiento hacia abajo se detendrá debido a su flotabilidad , mientras que el fluido que se mueve hacia arriba por convección se enfría por conducción tan rápido que su flotabilidad impulsora disminuirá. Por otro lado, si la conducción de calor es muy baja, se puede formar un gran gradiente de temperatura y la convección puede ser muy fuerte.

El número de Rayleigh ( ) es el producto de los números de Grashof ( ) y de Prandtl ( ). Es una medida que determina la fuerza relativa de la conducción y la convección. ^[13] ${\displaystyle \mathrm {Ra} }$ ${\displaystyle \mathrm {Gr} }$ ${\displaystyle \mathrm {Pr} }$

$${\displaystyle \mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}}$$dónde

• g es la aceleración debida a la gravedad,
• ρ es la densidad, siendo la diferencia de densidad entre los extremos inferior y superior, ${\displaystyle \Delta \rho }$
• μ es la viscosidad dinámica ,
• α es la difusividad térmica ,
• β es la expansividad térmica del volumen (a veces denominada α en otros lugares),
• T es la temperatura,
• ν es la viscosidad cinemática , y
• L es la longitud característica.

El número de Rayleigh puede entenderse como la relación entre la tasa de transferencia de calor por convección y la tasa de transferencia de calor por conducción; o, equivalentemente, la relación entre las escalas de tiempo correspondientes (es decir, la escala de tiempo de conducción dividida por la escala de tiempo de convección), hasta un factor numérico. Esto se puede ver de la siguiente manera, donde todos los cálculos se basan en factores numéricos que dependen de la geometría del sistema.

La fuerza de flotabilidad que impulsa la convección es aproximadamente , por lo que la presión correspondiente es aproximadamente . En estado estacionario , esto se cancela por la tensión de corte debido a la viscosidad y, por lo tanto, es aproximadamente igual a , donde V es la velocidad típica del fluido debido a la convección y el orden de su escala de tiempo. ^[14] La escala de tiempo de conducción, por otro lado, es del orden de . ${\displaystyle g\Delta \rho L^{3}}$ ${\displaystyle g\Delta \rho L}$ ${\displaystyle \mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}}$ ${\displaystyle T_{\text{conv}}}$ ${\displaystyle T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha }$

La convección se produce cuando el número de Rayleigh es superior a 1.000–2.000.

Radiación

Objeto de hierro al rojo vivo, que transfiere calor al entorno circundante a través de radiación térmica.

La transferencia de calor radiativa es la transferencia de energía a través de radiación térmica , es decir, ondas electromagnéticas . ^[1] Ocurre a través del vacío o cualquier medio transparente ( sólido , fluido o gas ). ^[15] La radiación térmica es emitida por todos los objetos a temperaturas superiores al cero absoluto , debido a los movimientos aleatorios de los átomos y moléculas de la materia. Dado que estos átomos y moléculas están compuestos de partículas cargadas ( protones y electrones ), su movimiento da como resultado la emisión de radiación electromagnética que transporta energía. La radiación normalmente solo es importante en aplicaciones de ingeniería para objetos muy calientes o para objetos con una gran diferencia de temperatura.

Cuando los objetos y las distancias que los separan son grandes en comparación con la longitud de onda de la radiación térmica, la velocidad de transferencia de energía radiante se describe mejor mediante la ecuación de Stefan-Boltzmann . Para un objeto en el vacío, la ecuación es: $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}$$

Para la transferencia radiativa entre dos objetos, la ecuación es la siguiente: donde $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$$

• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor ,
• ${\displaystyle \epsilon }$es la emisividad (unidad para un cuerpo negro ),
• ${\displaystyle \sigma }$es la constante de Stefan-Boltzmann ,
• ${\displaystyle F}$es el factor de visión entre dos superficies a y b, ^[16] y
• ${\displaystyle T_{a}}$y son las temperaturas absolutas (en kelvin o grados Rankine ) para los dos objetos. ${\displaystyle T_{b}}$

El límite de cuerpo negro establecido por la ecuación de Stefan-Boltzmann puede ser superado cuando los objetos que intercambian radiación térmica o las distancias que los separan son comparables en escala o menores que la longitud de onda térmica dominante . El estudio de estos casos se denomina transferencia de calor radiativo en campo cercano .

La radiación del sol, o radiación solar, se puede aprovechar para producir calor y energía. ^[17] A diferencia de las formas conductivas y convectivas de transferencia de calor, la radiación térmica (que llega en un ángulo estrecho, es decir, que proviene de una fuente mucho más pequeña que su distancia) se puede concentrar en un punto pequeño mediante el uso de espejos reflectores, lo que se aprovecha en la generación de energía solar concentrada o en un vidrio ardiente . ^[18] Por ejemplo, la luz solar reflejada por los espejos calienta la torre de energía solar PS10 y durante el día puede calentar el agua a 285 °C (545 °F). ^[19]

La temperatura alcanzable en el objetivo está limitada por la temperatura de la fuente caliente de radiación. (La ley T ⁴ permite que el flujo inverso de radiación vuelva a la fuente.) El sol caliente (en su superficie) de aproximadamente 4000 K permite alcanzar aproximadamente 3000 K (o 3000 °C, que son aproximadamente 3273 K) en una pequeña sonda en el punto focal de un gran espejo cóncavo de concentración del Horno Solar de Mont-Louis en Francia. ^[20]

Transición de fase

Los rayos son una forma muy visible de transferencia de energía y son un ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra. Normalmente, los rayos descargan 30.000 amperios a hasta 100 millones de voltios y emiten luz, ondas de radio, rayos X e incluso rayos gamma. ^[21] Las temperaturas del plasma en los rayos pueden acercarse a los 28.000 kelvin (27.726,85 °C) (49.940,33 °F) y las densidades electrónicas pueden superar los 10 ²⁴ m ⁻³ .

La transición de fase o cambio de fase se produce en un sistema termodinámico de una fase o estado de la materia a otro mediante transferencia de calor. Ejemplos de cambio de fase son la fusión del hielo o la ebullición del agua. La ecuación de Mason explica el crecimiento de una gota de agua basándose en los efectos del transporte de calor sobre la evaporación y la condensación.

Las transiciones de fase involucran los cuatro estados fundamentales de la materia :

• Sólido – Deposición, congelación y transformación de sólido a sólido.
• Líquido – Condensación y fusión .
• Gas – Ebullición/evaporación, recombinación /  desionización y sublimación .
• Plasma – Ionización .

Hirviendo

Ebullición nucleada del agua.

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión que rodea al líquido ^{[22] [23]} y el líquido se evapora, lo que produce un cambio abrupto en el volumen de vapor.

En un sistema cerrado , la temperatura de saturación y el punto de ebullición significan lo mismo. La temperatura de saturación es la temperatura a la que un líquido hierve para pasar a su fase de vapor. Se puede decir que el líquido está saturado de energía térmica. Cualquier adición de energía térmica da como resultado una transición de fase.

A presión atmosférica estándar y temperaturas bajas , no se produce ebullición y la tasa de transferencia de calor está controlada por los mecanismos monofásicos habituales. A medida que aumenta la temperatura de la superficie, se produce ebullición local y las burbujas de vapor se nuclean, crecen en el fluido más frío circundante y colapsan. Esta es la ebullición nucleada subenfriada y es un mecanismo de transferencia de calor muy eficiente. A altas tasas de generación de burbujas, las burbujas comienzan a interferir y el flujo de calor ya no aumenta rápidamente con la temperatura de la superficie (esta es la desviación de la ebullición nucleada o DNB).

A una presión atmosférica estándar similar y a temperaturas elevadas , se alcanza el régimen hidrodinámicamente más tranquilo de ebullición en película . Los flujos de calor a través de las capas de vapor estable son bajos, pero aumentan lentamente con la temperatura. Cualquier contacto entre el fluido y la superficie que pueda observarse probablemente conduce a la nucleación extremadamente rápida de una nueva capa de vapor (" nucleación espontánea "). A temperaturas aún más altas, se alcanza un máximo en el flujo de calor (el flujo de calor crítico o CHF).

El efecto Leidenfrost demuestra cómo la ebullición nucleada ralentiza la transferencia de calor debido a las burbujas de gas en la superficie del calentador. Como se mencionó, la conductividad térmica en fase gaseosa es mucho menor que la conductividad térmica en fase líquida, por lo que el resultado es una especie de " barrera térmica de gas ".

Condensación

La condensación se produce cuando un vapor se enfría y cambia de fase a líquido. Durante la condensación, se debe liberar el calor latente de vaporización . La cantidad de calor es la misma que la absorbida durante la vaporización a la misma presión del fluido. ^[24]

Existen varios tipos de condensación:

• Condensación homogénea, como durante la formación de niebla.
• Condensación en contacto directo con líquido subenfriado.
• Condensación por contacto directo con una pared de enfriamiento de un intercambiador de calor: Este es el modo más común utilizado en la industria:
  • La condensación en forma de película se produce cuando se forma una película de líquido sobre la superficie subenfriada y generalmente ocurre cuando el líquido humedece la superficie.
  • La condensación gota a gota se produce cuando se forman gotas de líquido en la superficie subenfriada y generalmente ocurre cuando el líquido no moja la superficie.
  La condensación gota a gota es difícil de mantener de manera confiable; por lo tanto, los equipos industriales normalmente están diseñados para operar en modo de condensación en película.

Fusión

Derretimiento del hielo

La fusión es un proceso térmico que produce la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido . La energía interna de una sustancia aumenta, normalmente a través del calor o la presión, lo que da como resultado un aumento de su temperatura hasta el punto de fusión , en el que el orden de las entidades iónicas o moleculares en el sólido se descompone a un estado menos ordenado y el sólido se licúa. Las sustancias fundidas generalmente tienen una viscosidad reducida con una temperatura elevada; una excepción a esta máxima es el elemento azufre , cuya viscosidad aumenta hasta un punto debido a la polimerización y luego disminuye con temperaturas más altas en su estado fundido. ^[25]

Enfoques de modelado

La transferencia de calor se puede modelar de varias maneras.

Ecuación del calor

La ecuación del calor es una ecuación diferencial parcial importante que describe la distribución del calor (o variación de la temperatura) en una región dada a lo largo del tiempo. En algunos casos, existen soluciones exactas de la ecuación; ^[26] en otros casos, la ecuación debe resolverse numéricamente utilizando métodos computacionales como modelos basados ​​en DEM para sistemas de partículas térmicas/reactivas (como analizaron críticamente Peng et al. ^[27] ).

Análisis de sistemas agrupados

El análisis de sistemas agrupados a menudo reduce la complejidad de las ecuaciones a una ecuación diferencial lineal de primer orden, en cuyo caso el calentamiento y el enfriamiento se describen mediante una solución exponencial simple, a menudo denominada ley de enfriamiento de Newton .

El análisis de sistemas mediante el modelo de capacitancia concentrada es una aproximación común en la conducción transitoria que se puede utilizar siempre que la conducción de calor dentro de un objeto sea mucho más rápida que la conducción de calor a través de los límites del objeto. Se trata de un método de aproximación que reduce un aspecto del sistema de conducción transitoria (el que se produce dentro del objeto) a un sistema de estado estable equivalente. Es decir, el método supone que la temperatura dentro del objeto es completamente uniforme, aunque su valor puede cambiar con el tiempo.

En este método, se calcula la relación entre la resistencia al calor conductivo dentro del objeto y la resistencia a la transferencia de calor convectivo a través de los límites del objeto, conocida como el número de Biot . Para números de Biot pequeños, se puede utilizar la aproximación de la temperatura uniforme espacialmente dentro del objeto : se puede suponer que el calor transferido al objeto tiene tiempo para distribuirse uniformemente, debido a la menor resistencia a hacerlo, en comparación con la resistencia al calor que ingresa al objeto. ^[28]

Modelos climáticos

Los modelos climáticos estudian la transferencia de calor radiante utilizando métodos cuantitativos para simular las interacciones de la atmósfera, los océanos, la superficie terrestre y el hielo. ^[29]

Ingeniería

Exposición al calor como parte de una prueba de fuego para productos cortafuegos

La transferencia de calor tiene una amplia aplicación en el funcionamiento de numerosos dispositivos y sistemas. Los principios de transferencia de calor se pueden utilizar para conservar, aumentar o disminuir la temperatura en una amplia variedad de circunstancias. ^[30] Los métodos de transferencia de calor se utilizan en numerosas disciplinas, como la ingeniería automotriz , la gestión térmica de dispositivos y sistemas electrónicos , el control climático , el aislamiento , el procesamiento de materiales , la ingeniería química y la ingeniería de centrales eléctricas .

Aislamiento, radiancia y resistencia.

Los aislantes térmicos son materiales diseñados específicamente para reducir el flujo de calor al limitar la conducción, la convección o ambas. La resistencia térmica es una propiedad térmica y la medida por la que un objeto o material resiste el flujo de calor (calor por unidad de tiempo o resistencia térmica) a la diferencia de temperatura.

La radiancia , o radiancia espectral, es una medida de la cantidad de radiación que pasa a través de un material o que se emite. Las barreras radiantes son materiales que reflejan la radiación y, por lo tanto, reducen el flujo de calor de las fuentes de radiación. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras radiantes, y viceversa. El metal, por ejemplo, es un excelente reflector y un mal aislante.

La eficacia de una barrera radiante se indica por su reflectividad , que es la fracción de radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (a una longitud de onda dada) tiene una baja emisividad (a esa misma longitud de onda), y viceversa. En cualquier longitud de onda específica, reflectividad = 1 - emisividad. Una barrera radiante ideal tendría una reflectividad de 1 y, por lo tanto, reflejaría el 100 por ciento de la radiación entrante. Los frascos de vacío , o Dewars, se platean para acercarse a este ideal. En el vacío del espacio, los satélites utilizan aislamiento multicapa , que consiste en muchas capas de Mylar aluminizado (brillante) para reducir en gran medida la transferencia de calor por radiación y controlar la temperatura del satélite. ^[31]

Dispositivos

Flujo esquemático de energía en un motor térmico.

Un motor térmico es un sistema que realiza la conversión de un flujo de energía térmica (calor) en energía mecánica para realizar trabajo mecánico . ^{[32] [33]}

Un termopar es un dispositivo de medición de temperatura y un tipo de sensor de temperatura ampliamente utilizado para medición y control, y también se puede utilizar para convertir calor en energía eléctrica.

Un refrigerador termoeléctrico es un dispositivo electrónico de estado sólido que bombea (transfiere) calor de un lado del dispositivo al otro cuando pasa una corriente eléctrica a través de él. Se basa en el efecto Peltier .

Un diodo térmico o rectificador térmico es un dispositivo que hace que el calor fluya preferentemente en una dirección.

Intercambiadores de calor

Un intercambiador de calor se utiliza para una transferencia de calor más eficiente o para disipar el calor. Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente en refrigeración , aire acondicionado , calefacción de espacios , generación de energía y procesamiento químico. Un ejemplo común de un intercambiador de calor es el radiador de un automóvil, en el que el fluido refrigerante caliente se enfría mediante el flujo de aire sobre la superficie del radiador. ^{[34] [35]}

Los tipos más comunes de flujos de intercambiadores de calor incluyen flujo paralelo, contraflujo y flujo cruzado. En el flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección mientras transfieren calor; en el contraflujo, los fluidos se mueven en direcciones opuestas; y en el flujo cruzado, los fluidos se mueven en ángulos rectos entre sí. Los tipos más comunes de intercambiadores de calor incluyen carcasa y tubo , doble tubo , tubo con aletas extruidas, tubo con aletas en espiral, tubo en U y placas apiladas. Cada tipo tiene ciertas ventajas y desventajas sobre otros tipos. ^{[ se necesita más explicación ]}

Un disipador de calor es un componente que transfiere el calor generado dentro de un material sólido a un medio fluido, como el aire o un líquido. Algunos ejemplos de disipadores de calor son los intercambiadores de calor utilizados en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado o el radiador de un automóvil. Un tubo de calor es otro dispositivo de transferencia de calor que combina la conductividad térmica y la transición de fase para transferir calor de manera eficiente entre dos interfaces sólidas.

Aplicaciones

Arquitectura

El uso eficiente de la energía es el objetivo de reducir la cantidad de energía necesaria para calentar o enfriar. En arquitectura, la condensación y las corrientes de aire pueden causar daños estéticos o estructurales. Una auditoría energética puede ayudar a evaluar la implementación de los procedimientos correctivos recomendados. Por ejemplo, mejoras en el aislamiento, sellado hermético de fugas estructurales o la incorporación de ventanas y puertas energéticamente eficientes. ^[36]

• El medidor inteligente es un dispositivo que registra el consumo de energía eléctrica en intervalos.
• La transmitancia térmica es la tasa de transferencia de calor a través de una estructura dividida por la diferencia de temperatura en toda la estructura. Se expresa en vatios por metro cuadrado por kelvin o W/(m2 ^K ). Las partes bien aisladas de un edificio tienen una transmitancia térmica baja, mientras que las partes mal aisladas tienen una transmitancia térmica alta.
• El termostato es un dispositivo para monitorear y controlar la temperatura.

Ingeniería climática

Un ejemplo de aplicación en la ingeniería climática es la creación de biocarbón mediante el proceso de pirólisis . De esta forma, el almacenamiento de gases de efecto invernadero en el carbono reduce la capacidad de forzamiento radiativo de la atmósfera, lo que hace que salga más radiación de onda larga ( infrarroja ) al espacio.

La ingeniería climática consiste en la eliminación del dióxido de carbono y la gestión de la radiación solar . Dado que la cantidad de dióxido de carbono determina el equilibrio radiativo de la atmósfera terrestre, se pueden aplicar técnicas de eliminación del dióxido de carbono para reducir el forzamiento radiativo . La gestión de la radiación solar es el intento de absorber menos radiación solar para compensar los efectos de los gases de efecto invernadero .

Un método alternativo es el enfriamiento radiativo pasivo diurno , que mejora el flujo de calor terrestre hacia el espacio exterior a través de la ventana infrarroja (8-13 μm). ^{[37] [38]} En lugar de simplemente bloquear la radiación solar, este método aumenta la transferencia de calor de la radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) saliente con la temperatura extremadamente fría del espacio exterior (~2,7 K ) a temperaturas ambientales más bajas sin requerir ningún aporte de energía. ^{[39] [40]}

Efecto invernadero

Representación de los intercambios de energía entre la fuente (el Sol ), la superficie terrestre, la atmósfera terrestre y el sumidero final, el espacio exterior . La capacidad de la atmósfera para redirigir y reciclar ^[41] la energía emitida por la superficie terrestre es la característica definitoria del efecto invernadero.

El efecto invernadero es un proceso por el cual la radiación térmica de la superficie de un planeta es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos y las nubes, y es reirradiada en todas direcciones, lo que da como resultado una reducción de la cantidad de radiación térmica que llega al espacio en relación con la que llegaría al espacio en ausencia de materiales absorbentes. Esta reducción de la radiación saliente conduce a un aumento de la temperatura de la superficie y la troposfera hasta que la tasa de radiación saliente vuelve a ser igual a la tasa a la que llega el calor del Sol. ^[42]

Transferencia de calor en el cuerpo humano

Los principios de transferencia de calor en los sistemas de ingeniería se pueden aplicar al cuerpo humano para determinar cómo transfiere el calor. El calor se produce en el cuerpo mediante el metabolismo continuo de nutrientes que proporciona energía a los sistemas del cuerpo. ^[43] El cuerpo humano debe mantener una temperatura interna constante para mantener las funciones corporales saludables. Por lo tanto, el exceso de calor debe disiparse del cuerpo para evitar que se sobrecaliente. Cuando una persona realiza niveles elevados de actividad física, el cuerpo requiere combustible adicional que aumenta la tasa metabólica y la tasa de producción de calor. El cuerpo debe utilizar métodos adicionales para eliminar el calor adicional producido para mantener la temperatura interna a un nivel saludable.

La transferencia de calor por convección es impulsada por el movimiento de fluidos sobre la superficie del cuerpo. Este fluido convectivo puede ser un líquido o un gas. Para la transferencia de calor desde la superficie exterior del cuerpo, el mecanismo de convección depende de la superficie del cuerpo, la velocidad del aire y el gradiente de temperatura entre la superficie de la piel y el aire ambiente. ^[44] La temperatura normal del cuerpo es de aproximadamente 37 °C. La transferencia de calor se produce más fácilmente cuando la temperatura del entorno es significativamente menor que la temperatura corporal normal. Este concepto explica por qué una persona siente frío cuando no se cubre lo suficiente cuando se expone a un ambiente frío. La ropa puede considerarse un aislante que proporciona resistencia térmica al flujo de calor sobre la parte cubierta del cuerpo. ^[45] Esta resistencia térmica hace que la temperatura en la superficie de la ropa sea menor que la temperatura en la superficie de la piel. Este gradiente de temperatura más pequeño entre la temperatura de la superficie y la temperatura ambiente provocará una menor tasa de transferencia de calor que si la piel no estuviera cubierta.

Para garantizar que una parte del cuerpo no esté significativamente más caliente que otra, el calor debe distribuirse uniformemente a través de los tejidos corporales. La sangre que fluye a través de los vasos sanguíneos actúa como un fluido convectivo y ayuda a prevenir cualquier acumulación de exceso de calor dentro de los tejidos del cuerpo. Este flujo de sangre a través de los vasos se puede modelar como flujo de tubería en un sistema de ingeniería. El calor transportado por la sangre está determinado por la temperatura del tejido circundante, el diámetro del vaso sanguíneo, el espesor del fluido , la velocidad del flujo y el coeficiente de transferencia de calor de la sangre. La velocidad, el diámetro del vaso sanguíneo y el espesor del fluido se pueden relacionar con el Número de Reynolds , un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos para caracterizar el flujo de fluidos.

La pérdida de calor latente , también conocida como pérdida de calor por evaporación, representa una gran fracción de la pérdida de calor del cuerpo. Cuando la temperatura central del cuerpo aumenta, el cuerpo activa las glándulas sudoríparas de la piel para llevar humedad adicional a la superficie de la piel. Luego, el líquido se transforma en vapor, lo que elimina el calor de la superficie del cuerpo. ^[46] La tasa de pérdida de calor por evaporación está directamente relacionada con la presión de vapor en la superficie de la piel y la cantidad de humedad presente en la piel. ^[44] Por lo tanto, la máxima transferencia de calor se producirá cuando la piel esté completamente húmeda. El cuerpo pierde agua continuamente por evaporación, pero la cantidad más significativa de pérdida de calor se produce durante los períodos de mayor actividad física.

Técnicas de enfriamiento

Enfriamiento evaporativo

Un enfriador de aire tradicional en Mirzapur , Uttar Pradesh , India

El enfriamiento por evaporación se produce cuando se añade vapor de agua al aire circundante. La energía necesaria para evaporar el agua se toma del aire en forma de calor sensible y se convierte en calor latente, mientras que el aire permanece a una entalpía constante . El calor latente describe la cantidad de calor que se necesita para evaporar el líquido; este calor proviene del propio líquido y del gas y las superficies circundantes. Cuanto mayor sea la diferencia entre las dos temperaturas, mayor será el efecto de enfriamiento por evaporación. Cuando las temperaturas son las mismas, no se produce evaporación neta de agua en el aire; por lo tanto, no hay efecto de enfriamiento.

Refrigeración por láser

En física cuántica , el enfriamiento por láser se utiliza para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C, −459,67 °F) de muestras atómicas y moleculares para observar efectos cuánticos únicos que solo pueden ocurrir a este nivel de calor.

• El enfriamiento Doppler es el método más común de enfriamiento láser.
• El enfriamiento simpático es un proceso en el que partículas de un tipo enfrían partículas de otro tipo. Normalmente, se utilizan iones atómicos que se pueden enfriar directamente con láser para enfriar iones o átomos cercanos. Esta técnica permite enfriar iones y átomos que no se pueden enfriar directamente con láser. ^[47]

Refrigeración magnética

El enfriamiento evaporativo magnético es un proceso para reducir la temperatura de un grupo de átomos, después de haberlos enfriado previamente mediante métodos como el enfriamiento por láser. La refrigeración magnética enfría por debajo de 0,3 K, haciendo uso del efecto magnetocalórico .

Enfriamiento radiativo

El enfriamiento radiativo es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación. La energía saliente es un efecto importante en el balance energético de la Tierra . En el caso del sistema Tierra-atmósfera, se refiere al proceso por el cual se emite radiación de onda larga (infrarroja) para equilibrar la absorción de energía de onda corta (visible) del Sol. La termosfera (parte superior de la atmósfera) se enfría al espacio principalmente por energía infrarroja irradiada por dióxido de carbono (CO ₂ ) a 15 μm y por óxido nítrico (NO) a 5,3 μm. ^[48] El transporte convectivo de calor y el transporte evaporativo de calor latente eliminan calor de la superficie y lo redistribuyen en la atmósfera.

Almacenamiento de energía térmica

El almacenamiento de energía térmica incluye tecnologías para recolectar y almacenar energía para su uso posterior. Puede emplearse para equilibrar la demanda de energía entre el día y la noche. El depósito térmico puede mantenerse a una temperatura superior o inferior a la del entorno. Las aplicaciones incluyen calefacción de espacios, sistemas de agua caliente para uso doméstico o industrial o generación de electricidad.

Historia

Ley de enfriamiento de Newton

Isaac Newton

Ley de enfriamiento de Newton. T ₀ = temperatura original, T _R = temperatura ambiente, t = tiempo

En 1701, Isaac Newton publicó anónimamente un artículo en Philosophical Transactions en el que señalaba (en términos modernos) que la tasa de cambio de temperatura de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas ( gradum caloris , "grados de calor") entre el cuerpo y sus alrededores. ^[49] La frase "cambio de temperatura" fue posteriormente reemplazada por "pérdida de calor", y la relación se denominó ley de enfriamiento de Newton. En general, la ley es válida solo si la diferencia de temperatura es pequeña y el mecanismo de transferencia de calor sigue siendo el mismo.

Conducción térmica

En materia de conducción de calor, la ley es válida únicamente si la conductividad térmica del cuerpo más caliente es independiente de la temperatura. La conductividad térmica de la mayoría de los materiales depende sólo débilmente de la temperatura, por lo que, en general, la ley es válida.

Convección térmica

En la transferencia de calor por convección, la ley es válida para el enfriamiento por aire forzado o por fluido bombeado, donde las propiedades del fluido no varían mucho con la temperatura, pero solo es aproximadamente cierta para la convección impulsada por flotabilidad, donde la velocidad del flujo aumenta con la diferencia de temperatura.

Radiación térmica

En el caso de transferencia de calor por radiación térmica, la ley de enfriamiento de Newton sólo se aplica para diferencias de temperatura muy pequeñas.

Conductividad térmica de diferentes metales.

Jan Ingenhousz

Aparato para medir las conductividades térmicas relativas de diferentes metales.

En una carta de 1780 a Benjamin Franklin , el científico británico nacido en Holanda Jan Ingenhousz relata un experimento que le permitió clasificar siete metales diferentes según su conductividad térmica: ^[50]

¿Recuerdas que me diste un alambre de cinco metales, todos hechos pasar por el mismo agujero? Uno de oro, otro de plata, otro de cobre, otro de acero y otro de hierro. Yo le proporcioné los otros dos: uno de estaño y otro de plomo. Fijé estos siete alambres en un marco de madera a la misma distancia uno del otro... Sumergí los siete alambres en esta cera derretida hasta la profundidad del marco de madera... Al sacarlos, se cubrieron con una capa de cera... Cuando descubrí que esta costra tenía el mismo grosor en todos los alambres, los coloqué todos en un recipiente de barro vidriado lleno de aceite de oliva calentado a algunos grados bajo ebullición, teniendo cuidado de que cada alambre se sumergiera en el aceite tanto como el otro... Ahora bien, como todos habían sido sumergidos por igual al mismo tiempo en el mismo aceite, debe deducirse que el alambre, sobre el que se había derretido más la cera, había sido el mejor conductor del calor. ... La plata conducía el calor mejor que todos los demás metales, después del cobre, el oro, el estaño, el hierro, el acero y el plomo.

Experimentos de Benjamin Thompson sobre transferencia de calor

Benjamín Thompson

Durante los años 1784-1798, el físico británico Benjamin Thompson (conde Rumford) vivió en Baviera , reorganizando el ejército bávaro para el príncipe elector Charles Theodore entre otros deberes oficiales y caritativos. El elector dio a Thompson acceso a las instalaciones de la Academia Electoral de Ciencias en Mannheim . Durante sus años en Mannheim y posteriormente en Múnich , Thompson realizó una gran cantidad de descubrimientos e inventos relacionados con el calor.

Experimentos de conductividad

"Nuevos experimentos sobre el calor"

En 1785, Thompson realizó una serie de experimentos de conductividad térmica, que describe con gran detalle en el artículo de Philosophical Transactions "New Experiments upon Heat" de 1786. ^{[51] [52]} El hecho de que los buenos conductores eléctricos a menudo también son buenos conductores de calor y viceversa debe haber sido bien conocido en ese momento, ya que Thompson lo menciona de pasada. ^[53] Tenía la intención de medir las conductividades relativas del mercurio, el agua, el aire húmedo, el "aire común" (aire seco a presión atmosférica normal), el aire seco de diversa enrarecimiento y un " vacío torricelliano ".

De la sorprendente analogía entre el fluido eléctrico y el calor respecto de sus conductores y no conductores (habiendo encontrado que los cuerpos, en general, que son conductores del fluido eléctrico, son igualmente buenos conductores del calor, y, por el contrario, que los cuerpos eléctricos, o aquellos que son malos conductores del fluido eléctrico, son igualmente malos conductores del calor), fui llevado a imaginar que el vacío de Torricelli, que se sabe que proporciona un paso tan fácil al fluido eléctrico, también habría proporcionado un paso fácil al calor.

Para estos experimentos, Thompson empleó un termómetro dentro de un tubo de vidrio grande y cerrado. En las circunstancias descritas, es posible que, sin que Thompson lo supiera, el calor se haya transferido más por radiación que por conducción . ^[54] Estos fueron sus resultados.

Después de los experimentos, Thompson se sorprendió al observar que el vacío era un conductor de calor significativamente peor que el aire "que de por sí se considera uno de los peores", ^[55] pero que solo había una diferencia muy pequeña entre el aire común y el aire enrarecido. ^[56] También notó la gran diferencia entre el aire seco y el aire húmedo, ^[57] y el gran beneficio que esto proporciona. ^[58]

No puedo dejar de observar con qué infinita sabiduría y bondad la Divina Providencia parece habernos protegido contra los efectos malignos del calor y el frío excesivos en la atmósfera; porque si fuera posible que el aire fuera igualmente húmedo durante el frío severo del invierno... como a veces lo es en verano, su poder de conducción, y en consecuencia su aparente frialdad... se volvería completamente intolerable; pero, afortunadamente para nosotros, su poder para retener el agua en solución disminuye, y con él su poder para robarnos nuestro calor animal.

Todo el mundo sabe lo desagradable que es un grado moderado de frío cuando el aire es muy húmedo; y de ahí se desprende que el termómetro no siempre es una medida precisa del calor aparente o sensible de la atmósfera. Si los resfriados... se producen porque nuestros cuerpos se ven privados de nuestro calor animal, la razón es clara por la que esos trastornos prevalecen más durante las frías lluvias de otoño y cuando desaparecen las heladas en primavera. También es claro por qué... vivir en casas húmedas es tan peligroso; y por qué el aire de la tarde es tan pernicioso en verano... y por qué no lo es durante las fuertes heladas del invierno.

Temperatura vs. calor sensible

Thompson concluyó con algunos comentarios sobre la importante diferencia entre temperatura y calor sensible .

La sensación de calor o de frío no depende enteramente de la temperatura del cuerpo que excita en nosotros esas sensaciones... sino de la cantidad de calor que es capaz de comunicarnos, o de recibir de nosotros... y esto depende en gran medida de las capacidades de conducción de los cuerpos en cuestión. La sensación de calor es la entrada de calor en nuestros cuerpos; la de frío es su salida... Esta es otra prueba de que el termómetro no puede ser una medida exacta del calor sensible... o, mejor dicho, de que el tacto no nos proporciona una indicación exacta de... las temperaturas reales.

Acuñación del término "convección"

William Prout

Chimenea, con rejilla y chimenea.

En la década de 1830, en The Bridgewater Treatises , el término convección aparece atestiguado en un sentido científico. En el tratado VIII de William Prout , en el libro sobre química , se dice: ^[59]

Este movimiento del calor se produce de tres maneras, como lo ilustra muy bien una chimenea común. Si, por ejemplo, colocamos un termómetro directamente delante del fuego, pronto comienza a subir, lo que indica un aumento de temperatura. En este caso, el calor se ha abierto paso a través del espacio entre el fuego y el termómetro, mediante el proceso llamado radiación . Si colocamos un segundo termómetro en contacto con cualquier parte de la rejilla, y lejos de la influencia directa del fuego, veremos que este termómetro también denota un aumento de temperatura; pero en este caso, el calor debe haber viajado a través del metal de la rejilla, mediante lo que se llama conducción . Por último, un tercer termómetro colocado en la chimenea, lejos de la influencia directa del fuego, también indicará un aumento considerable de temperatura; en este caso, una parte del aire, que pasa a través y cerca del fuego, se ha calentado y ha llevado por la chimenea la temperatura adquirida por el fuego. En la actualidad, no hay un solo término en nuestro idioma empleado para denotar este tercer modo de propagación del calor; pero nos aventuramos a proponer para ese propósito el término convección , [en nota al pie: [latín] Convectio , llevar o transportar] que no sólo expresa el hecho principal, sino que también concuerda muy bien con los otros dos términos.

Más adelante, en el mismo tratado VIII, en el libro de meteorología , se aplica también el concepto de convección al "proceso por el cual se comunica calor a través del agua".

Véase también

• Convección combinada forzada y natural
• Capacidad calorífica
• Mejora de la transferencia de calor
• Física de la transferencia de calor
• Ley de Stefan-Boltzmann
• Conductancia de contacto térmico
• Física térmica
• Resistencia térmica

Citas

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Enlaces externos

• Un libro de texto sobre transferencia de calor - (descarga gratuita).
• Thermal-FluidsPedia - Una enciclopedia en línea sobre fluidos térmicos.
• Artículo de Hyperphysics sobre transferencia de calor: descripción general
• Transferencia de calor interestacional: un ejemplo práctico de cómo se utiliza la transferencia de calor para calentar edificios sin quemar combustibles fósiles.
• Aspectos de la transferencia de calor, Universidad de Cambridge
• Central de fluidos térmicos
• Energy2D: simulaciones interactivas de transferencia de calor para todos