Transferencia de calor

Transporte de energía térmica en sistemas físicos.

Simulación de convección térmica en el manto terrestre . Los colores van desde el rojo y el verde hasta el azul con temperaturas decrecientes. 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, uso, conversión e intercambio de energía térmica ( calor ) entre sistemas físicos. La transferencia de calor se clasifica en diversos mecanismos, como conducción térmica , convección térmica , radiación térmica y 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, son los intercambios microscópicos directos de energía cinética de partículas (como moléculas) o cuasipartículas (como ondas reticulares) a través del límite entre dos sistemas. Cuando un objeto se encuentra a una temperatura diferente a la de otro cuerpo o 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 . Esta transferencia de calor espontánea siempre ocurre desde una región de alta temperatura a otra región de menor temperatura, como se describe en la segunda ley de la termodinámica .

La convección de calor ocurre cuando el flujo masivo de un fluido (gas o líquido) transporta su calor a través del fluido. Todos los procesos convectivos también mueven el calor en parte por difusión. El flujo de fluido puede ser forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitacionales) por fuerzas de flotación causadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), influyendo así en su propia transferencia. Este último proceso suele denominarse "convección natural". El primer proceso suele denominarse "convección forzada". En este caso, el fluido se fuerza a fluir mediante el uso de una bomba, ventilador u otros medios mecánicos.

La radiación térmica se produce a través del vacío o de cualquier medio transparente ( sólido , fluido o gaseoso ). Es la transferencia de energía mediante 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 intercambiada 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", es decir, la suma de la energía interna del sistema (U) más el producto de la presión (P) y el volumen (V). Joule 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 ruta), 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 sólo 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 vectorial cuantitativa del flujo de calor a través de una superficie. ^[3]

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

Las ecuaciones de transporte para 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 predicción de conversión de uno a otro. ^[6]

La ingeniería térmica se refiere a la generación, uso, conversión, almacenamiento e 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 impulso de ese fluido.

Conducción o difusión

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

Convección

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

Radiación

La transferencia de energía por emisión de radiación electromagnética .

advección

Al transferir materia, la energía (incluida la energía térmica) se mueve mediante la transferencia física de un objeto frío o caliente de un lugar a otro. ^[8] Esto puede ser tan simple como colocar agua caliente en una botella y calentar una cama, o el movimiento de un iceberg en las cambiantes corrientes oceánicas. Un ejemplo práctico es la hidráulica térmica . Esto se puede describir mediante la fórmula:

$${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$$

• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor (W/m ² ),
• ${\displaystyle \rho }$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 se produce 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 de contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos en contacto. ^[9] 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 al vaso frío, pero si Si la mano se sostiene a unos centímetros del vidrio, 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 (consulte la ley de Fourier ). ^[10] 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 energía térmica) es cero. ^[9] 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: el interior de la casa se mantiene a una temperatura alta y, en el exterior, 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 de la pared y la distribución espacial de la temperatura en las paredes será aproximadamente constante a lo largo del tiempo.

La conducción transitoria (ver ecuación del calor ) ocurre 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 de calor sólo son válidas para sistemas modelo idealizados. Las aplicaciones prácticas generalmente se investigan utilizando métodos numéricos, técnicas de aproximación o estudios empíricos. ^[9]

Convección

El flujo de fluido puede ser forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitacionales) por fuerzas de flotación causadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), influyendo así en su propia transferencia. Este último proceso suele denominarse "convección natural". Todos los procesos convectivos también mueven el calor en parte por difusión. Otra forma de convección es la convección forzada. En este caso, el fluido se fuerza a fluir mediante una bomba, un ventilador u otros medios mecánicos.

La transferencia de calor por convección , o simplemente, convección, es la transferencia de calor de un lugar a otro mediante el movimiento de fluidos , proceso que es esencialmente la transferencia de calor vía transferencia de masa . El movimiento masivo de un fluido mejora la transferencia de calor en muchas situaciones físicas, como (por ejemplo) entre una superficie sólida y el fluido. ^[11] 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 generalmente se usa para describir los efectos combinados de la conducción de calor dentro del fluido (difusión) y la transferencia de calor mediante la corriente de flujo de fluido a granel. ^[12] El proceso de transporte por corriente 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 del transporte por difusión de calor (también conocido como conducción de calor), se entiende por proceso de convección de calor la suma del transporte de calor por advección y difusión/conducción.

La convección libre o natural ocurre cuando los movimientos de un fluido en masa (corrientes y corrientes) son causados ​​por fuerzas de flotación que resultan de variaciones de densidad debidas a variaciones de temperatura en el fluido. La convección forzada es un término utilizado cuando los flujos y corrientes en el fluido son inducidos por medios externos, como ventiladores, agitadores y bombas, creando una corriente de convección inducida artificialmente. ^[13]

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 por convección a veces este no es el caso. . En general, la convección no depende linealmente de los gradientes de temperatura y, en algunos casos, es fuertemente no lineal. En estos casos no se aplica la ley de Newton.

Convección versus conducción

En una masa de fluido que se calienta desde debajo de su recipiente, se puede considerar que la conducción y la convección compiten por el dominio. 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 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 Prandtl ( ). Es una medida que determina la fuerza relativa de la conducción y la convección. ^[14] ${\displaystyle \mathrm {Ra} }$ ${\displaystyle \mathrm {Gr} }$ ${\displaystyle \mathrm {Pr} }$

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

• 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, de manera equivalente, 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 flotación que impulsa la convección es aproximadamente , por lo que la presión correspondiente es aproximadamente . En estado estacionario , esto se cancela por el esfuerzo cortante 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. ^[15] El plazo 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 ocurre cuando el número de Rayleigh está por encima de 1000-2000.

Radiación

Objeto de hierro al rojo vivo que transfiere calor al entorno circundante mediante 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 gaseoso ). ^[16] 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 se lleva la energía. Por lo general, la radiación 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 de gran tamaño y se comparan con la longitud de onda de la radiación térmica, la tasa 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:

$${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$$

• ${\displaystyle \phi _{q}}$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 vista entre dos superficies a y b, ^[17] y
• ${\displaystyle T_{a}}$y son las temperaturas absolutas (en kelvins o grados Rankine ) de los dos objetos. ${\displaystyle T_{b}}$

El límite de cuerpo negro establecido por la ecuación de Stefan-Boltzmann puede superarse 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 radiativa de campo cercano .

La radiación del sol, o radiación solar, se puede aprovechar para generar calor y energía. ^[18] A diferencia de las formas conductivas y convectivas de transferencia de calor, la radiación térmica (que llega dentro de un ángulo estrecho, es decir, procedente de una fuente mucho más pequeña que su distancia) puede concentrarse en un lugar pequeño mediante el uso de espejos reflectantes, que se aprovechan para concentrar la energía solar. generación o un vaso ardiendo . ^[19] Por ejemplo, la luz del sol reflejada en los espejos calienta la torre de energía solar PS10 y durante el día puede calentar agua a 285 °C (545 °F). ^[20]

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 regrese a la fuente.) El sol caliente (en su superficie) de unos 4000 K permite alcanzar aproximadamente 3000 K (o 3000 °C, que son aproximadamente 3273 K) a una Pequeña sonda en el punto focal de un gran espejo de concentración cóncavo del horno solar de Mont-Louis en Francia. ^[21]

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 con hasta 100 millones de voltios y emiten luz, ondas de radio, rayos X e incluso rayos gamma. ^[22] 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 de electrones pueden superar los 10 ²⁴ m ⁻³ .

La transición de fase o cambio de fase, tiene lugar en un sistema termodinámico de una fase o estado de la materia a otro mediante transferencia de calor. Ejemplos de cambio de fase son el derretimiento 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/fusión .
• Gas : ebullición/evaporación, recombinación /  desionización y sublimación .
• Plasma – Ionización .

Hirviendo

Nuclear la ebullición del agua.

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la que la presión de vapor del líquido es igual a la presión que rodea al líquido ^{[23] [24]} 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 para una presión de saturación correspondiente a la que un líquido hierve hasta 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 bajas temperaturas , no se produce ebullición y la tasa de transferencia de calor se controla mediante los mecanismos monofásicos habituales. A medida que aumenta la temperatura de la superficie, se produce una ebullición local y las burbujas de vapor se nuclean, crecen hacia el fluido más frío circundante y colapsan. Esta es una 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 presión atmosférica estándar similar y altas temperaturas , se alcanza el régimen hidrodinámicamente más silencioso de ebullición de película . Los flujos de calor a través de las capas de vapor estables son bajos, pero aumentan lentamente con la temperatura. Cualquier contacto entre el fluido y la superficie visible 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 gaseosa ".

Condensación

La condensación ocurre cuando un vapor se enfría y cambia de fase a líquido. Durante la condensación se debe liberar el calor latente de la vaporización . La cantidad de calor es la misma que la absorbida durante la vaporización a la misma presión del fluido. ^[25]

Existen varios tipos de condensación:

• Condensación homogénea, como durante la formación de niebla.
• Condensación en contacto directo con líquido subenfriado.
• Condensación en contacto directo con una pared de refrigeración 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 líquida sobre la superficie subenfriada y generalmente ocurre cuando el líquido moja la superficie.
  • La condensación gota a gota ocurre 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 funcionar en modo de condensación en forma de película.

Derritiendo

Hielo derritiendose

La fusión es un proceso térmico que resulta en la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido . La energía interna de una sustancia aumenta, generalmente con calor o presión, lo que resulta en un aumento de su temperatura hasta el punto de fusión , en el cual el orden de las entidades iónicas o moleculares en el sólido se descompone a un estado menos ordenado y el sólido se licua. 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 cierto punto debido a la polimerización y luego disminuye con temperaturas más altas en su estado fundido. ^[26]

Enfoques de modelado

La transferencia de calor se puede modelar de varias maneras.

ecuación de calor

La ecuación del calor es una importante ecuación diferencial parcial que describe la distribución del calor (o la variación de la temperatura) en una región determinada a lo largo del tiempo. En algunos casos, se encuentran disponibles soluciones exactas de la ecuación; ^[27] en otros casos, la ecuación debe resolverse numéricamente utilizando métodos computacionales como modelos basados ​​en DEM para sistemas de partículas térmicas/reactivas (según lo revisado críticamente por Peng et al. ^[28] ).

Análisis del sistema agrupado

El análisis de sistemas concentrados 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 del sistema 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. Este es un método de aproximación que reduce un aspecto del sistema de conducción transitorio (el que se encuentra dentro del objeto) a un sistema equivalente en estado estacionario. 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 por convección a través del límite del objeto, conocida como número de Biot . Para números de Biot pequeños, se puede utilizar la aproximación de la temperatura espacialmente uniforme dentro del objeto : se puede suponer que el calor transferido al objeto tiene tiempo de distribuirse uniformemente, debido a la menor resistencia a hacerlo, en comparación con la resistencia a calor que ingresa al objeto. ^[29]

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. ^[30]

Ingeniería

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

La transferencia de calor tiene una amplia aplicación al funcionamiento de numerosos dispositivos y sistemas. Los principios de transferencia de calor se pueden utilizar para preservar, aumentar o disminuir la temperatura en una amplia variedad de circunstancias. ^[31] 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, luminosidad y resistencia

Los aislantes térmicos son materiales diseñados específicamente para reducir el flujo de calor limitando la conducción, la convección o ambas. La resistencia térmica es una propiedad del calor y la medida mediante la cual 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 son medidas de la cantidad de radiación que pasa o se emite. Las barreras radiantes son materiales que reflejan la radiación y, por 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 viene indicada por su reflectividad , que es la fracción de radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (a una determinada longitud de onda) 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 matraces de vacío , o Dewars, están plateados para acercarse a este ideal. En el vacío del espacio, los satélites utilizan aislamiento multicapa , que consta de muchas capas de Mylar aluminizado (brillante) para reducir en gran medida la transferencia de calor por radiación y controlar la temperatura del satélite. ^[32]

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 un trabajo mecánico . ^{[33] [34]}

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 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

Se utiliza un intercambiador de calor 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 intercambiador de calor es el radiador de un automóvil, en el que el líquido refrigerante caliente se enfría mediante el flujo de aire sobre la superficie del radiador. ^{[35] [36]}

Los tipos comunes de flujos de intercambiadores de calor incluyen flujo paralelo, contraflujo y flujo cruzado. En flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección mientras transfieren calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en direcciones opuestas; y en flujo cruzado, los fluidos se mueven en ángulo recto entre sí. Los tipos comunes de intercambiadores de calor incluyen carcasa y tubos , doble tubo , tubo con aletas extruidas, tubo con aletas en espiral, tubo en U y placa apilada. 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 aire o líquido. 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 conductividad térmica y 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 calefacción o refrigeración. 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 de fugas estructurales o la adición de ventanas y puertas energéticamente eficientes. ^[37]

• 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 a través de la estructura. Se expresa en vatios por metro cuadrado por kelvin, o W/(m ² K). Las partes de un edificio bien aisladas tienen una transmitancia térmica baja, mientras que las partes de un edificio mal aisladas tienen una transmitancia térmica alta.
• El termostato es un dispositivo para monitorear y controlar la temperatura.

Ingeniería climática

Una aplicación de ejemplo en ingeniería climática incluye la creación de biocarbón mediante el proceso de pirólisis . Por lo tanto, almacenar gases de efecto invernadero en carbono reduce la capacidad de forzamiento radiativo en la atmósfera, provocando más radiación de onda larga ( infrarroja ) hacia el espacio.

La ingeniería climática consiste en la eliminación de 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 de 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 durante el día , que mejora el flujo de calor terrestre al espacio exterior a través de la ventana infrarroja (8-13 µm). ^{[38] [39]} En lugar de simplemente bloquear la radiación solar, este método aumenta la transferencia de calor de la radiación térmica infrarroja de onda larga saliente (LWIR) con la temperatura extremadamente fría del espacio exterior (~2,7 K ) para reducir la temperatura ambiente sin requerir entrada de energía. ^{[40] [41]}

Efecto invernadero

Una representación de los intercambios de energía entre la fuente (el Sol ), la superficie terrestre, la atmósfera terrestre y el sumidero final del espacio exterior . La capacidad de la atmósfera para redirigir y reciclar ^[42] la energía emitida por la superficie de la Tierra es la característica definitoria del efecto invernadero.

El efecto invernadero es un proceso mediante el cual la radiación térmica de una superficie planetaria es absorbida por los gases de efecto invernadero y las nubes atmosféricas, y se reirradia en todas direcciones, lo que resulta en una reducción en 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 igualar la tasa a la que llega el calor del Sol. ^[43]

Transferencia de calor en el cuerpo humano.

Los principios de la transferencia de calor en los sistemas de ingeniería se pueden aplicar al cuerpo humano para determinar cómo el cuerpo transfiere calor. El calor se produce en el cuerpo mediante el metabolismo continuo de nutrientes que proporciona energía a los sistemas del cuerpo. ^[44] El cuerpo humano debe mantener una temperatura interna constante para mantener funciones corporales saludables. Por lo tanto, es necesario disipar el exceso de calor del cuerpo para evitar que se sobrecaliente. Cuando una persona realiza niveles elevados de actividad física, el cuerpo necesita combustible adicional, lo que aumenta la tasa metabólica y la tasa de producción de calor. Luego, el cuerpo debe utilizar métodos adicionales para eliminar el calor adicional producido con el fin de 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 líquido o gaseoso. Para la transferencia de calor desde la superficie exterior del cuerpo, el mecanismo de convección depende del área de la superficie del cuerpo, la velocidad del aire y el gradiente de temperatura entre la superficie de la piel y el aire ambiente. ^[45] La temperatura normal del cuerpo es de aproximadamente 37 °C. La transferencia de calor ocurre 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. ^[46] 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 menor gradiente de temperatura 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 la acumulación excesiva de calor dentro de los tejidos del cuerpo. Este flujo de sangre a través de los vasos se puede modelar como flujo de tuberías 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 líquido , la velocidad del flujo y el coeficiente de transferencia de calor de la sangre. La velocidad, el diámetro de los vasos sanguíneos 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 que elimina el calor de la superficie del cuerpo. ^[47] 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. ^[45] Por lo tanto, la máxima transferencia de calor se producirá cuando la piel esté completamente mojada. El cuerpo pierde agua continuamente por evaporación, pero la mayor cantidad de pérdida de calor se produce durante los períodos de mayor actividad física.

Técnicas de enfriamiento

Enfriamento evaporativo

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

El enfriamiento evaporativo ocurre cuando se agrega 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 el aire permanece en 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 tanto, no hay efecto refrescante.

Enfriamiento 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 por láser.
• El enfriamiento simpático es un proceso en el que partículas de un tipo enfrían partículas de otro tipo. Normalmente, los iones atómicos que pueden enfriarse directamente con láser se utilizan para enfriar iones o átomos cercanos. Esta técnica permite el enfriamiento de iones y átomos que no pueden enfriarse directamente con láser. ^[48]

Enfriamiento magnético

El enfriamiento evaporativo magnético es un proceso para bajar la temperatura de un grupo de átomos, después de un preenfriamiento mediante métodos como el enfriamiento por láser. La refrigeración magnética enfría por debajo de 0,3K, aprovechando el 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 presupuesto energético de la Tierra . En el caso del sistema Tierra-atmósfera, se refiere al proceso mediante 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 hacia el espacio principalmente mediante energía infrarroja irradiada por dióxido de carbono (CO ₂ ) a 15 μm y por óxido nítrico (NO) a 5,3 μm. ^[49] El transporte convectivo de calor y el transporte evaporativo de calor latente eliminan el 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 ambiente. Las aplicaciones incluyen calefacción de espacios, sistemas de agua caliente sanitaria o de proceso, 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 de forma anónima un artículo en Philosophical Transactions señalando (en términos modernos) que la tasa de cambio de temperatura de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas ( graduum caloris , "grados de calor") entre el cuerpo y su entorno. . ^[50] La frase "cambio de temperatura" fue reemplazada más tarde por "pérdida de calor", y la relación se denominó ley de enfriamiento de Newton. En general, la ley es válida sólo si la diferencia de temperatura es pequeña y el mecanismo de transferencia de calor sigue siendo el mismo.

Conduccion termica

En la conducción de calor, la ley sólo es válida 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 cierta.

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 sólo es aproximadamente cierta para la convección impulsada por la flotabilidad, donde la velocidad del flujo aumenta con la temperatura. diferencia de temperatura.

Radiación termal

En el caso de la transferencia de calor por radiación térmica, la ley de enfriamiento de Newton sólo se cumple 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 sus conductividades térmicas: ^[51]

Recuerdas que me diste un alambre de cinco metales, todos pasados ​​por el mismo agujero, es decir. uno, de oro, otro de plata, cobre, acero y hierro. Proporcioné aquí los otros dos, a saber. el uno de estaño el otro de plomo. Fijé estos siete alambres en un marco de madera a la misma distancia entre sí... Sumergí los siete alambres en esta cera derretida tan profundamente como el marco de madera... Al sacarlos, quedaron cubiertos con una capa de cera. ... Cuando descubrí que esta costra tenía aproximadamente el mismo espesor en todos los alambres, los coloqué todos en una vasija de barro vidriada llena de aceite de oliva calentado a algunos grados bajo ebullición, teniendo cuidado de que cada alambre se mojara lo mismo. tanto en el aceite como el otro... Ahora bien, como todos habían sido sumergidos al mismo tiempo en el mismo aceite, debía deducirse que el alambre sobre el cual se había derretido la cera más alta había sido el mejor. conductor de calor. ... La plata conduce el calor mejor que todos los demás metales, después estaba el cobre, luego el oro, el estaño, el hierro, el acero y el plomo.

Los experimentos de Benjamin Thompson sobre la 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 Carlos Teodoro , entre otras tareas oficiales y caritativas. El Elector dio a Thompson acceso a las instalaciones de la Academia Electoral de Ciencias de Mannheim . Durante sus años en Mannheim y posteriormente en Munich , 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. ^{[52] [53]} El hecho de que los buenos conductores eléctricos sean a menudo también buenos conductores de calor y viceversa debe haber sido bien conocido en ese momento, ya que Thompson lo menciona de pasada. ^[54] Su intención era medir las conductividades relativas del mercurio, el agua, el aire húmedo, el "aire común" (aire seco a presión atmosférica normal), el aire seco de diversas enrarecimientos y un " vacío torricelliano ".

De la sorprendente analogía entre el fluido eléctrico y el calor respecto de sus conductores y no conductores (después de haber descubierto 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 los que son malos conductores del fluido eléctrico, son también malos conductores del calor), me llevó a imaginar que el vacío torricelliano, que se sabe que proporciona un paso tan fácil al fluido eléctrico, también habría proporcionado un paso fácil para el fluido eléctrico. paso al calor.

Para estos experimentos, Thompson empleó un termómetro dentro de un gran tubo de vidrio cerrado. En las circunstancias descritas, es posible que el calor (sin que Thompson lo supiera) haya sido transferido más por radiación que por conducción . ^[55] 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 por sí mismo se considera uno de los peores", ^[56] pero sólo una diferencia muy pequeña entre el aire común y el aire enrarecido. ^[57] También notó la gran diferencia entre el aire seco y el aire húmedo, ^[58] y el gran beneficio que esto proporciona. ^[59]

No puedo dejar de observar con qué infinita sabiduría y bondad la Divina Providencia parece habernos protegido contra los efectos perniciosos del exceso de calor y frío en la atmósfera; porque si fuera posible que el aire estuviera igualmente húmedo durante el severo frío del invierno... como a veces lo es en verano, su poder conductor, y en consecuencia su aparente frialdad... se volvería bastante 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 muy moderado de frío cuando el aire está muy húmedo; y de aquí se desprende por qué el termómetro no siempre es una medida justa del calor aparente o sensible de la atmósfera. Si los resfriados... son ocasionados por el despojo de nuestro cuerpo de nuestro calor animal, la razón es clara por la cual esos trastornos prevalecen más durante las frías lluvias otoñales y cuando desaparecen las heladas en la primavera. Es igualmente claro [por qué]... habitar casas húmedas es tan peligroso; y por qué el aire de la tarde es tan pernicioso en verano... y por qué no lo es tanto durante las duras heladas del invierno.

Temperatura versus calor sensible

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

Aire helado versus agua helada

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

Acuñación del término "convección"

En la década de 1830, en The Bridgewater Treatises , se atestigua el término convección en un sentido científico. En el tratado VIII de William Prout , en el libro de química , dice: ^[60]

William Prout

Chimenea, con parrilla y chimenea.

Este movimiento de 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 denominado radiación . Si ponemos un segundo termómetro en contacto con cualquier parte de la parrilla, y lejos de la influencia directa del fuego, encontraremos que este termómetro también denota un aumento de temperatura; pero aquí el calor debe haber viajado a través del metal de la parrilla, por lo que se llama conducción . Por último, un tercer termómetro colocado en la chimenea, lejos de la influencia directa del fuego, indicará también 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 hacia la chimenea la temperatura adquirida por el fuego. Actualmente no existe en nuestro idioma ningún término único empleado para designar este tercer modo de propagación del calor; pero nos aventuramos a proponer para ese propósito el término convección , [en nota al pie: [latín] Convectio , un llevar o transmitir] que no sólo expresa el hecho principal, sino que también concuerda muy bien con los otros dos términos.

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

Ver 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 termica

Citas

1. Geankoplis, Christie John (2003). Procesos de transporte y principios de separación (4ª ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-101367-X.
2. Abedin, ingeniero Zain ul (9 de agosto de 2023). "¿Cuáles son los conceptos básicos de la ingeniería termodinámica?" . Consultado el 20 de noviembre de 2023 .
3. "Licenciatura en Ingeniería Química". Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Departamento de Ingeniería Química. Archivado desde el original el 10 de diciembre de 2010 . Consultado el 9 de abril de 2011 .
4. Lienhard, Juan H. IV; Lienhard, John HV (2019). Un libro de texto sobre transferencia de calor (5ª ed.). Mineola, Nueva York: Dover Pub. pag. 3.
5. Welty, James R.; Mechas, Charles E.; Wilson, Robert Elliott (1976). Fundamentos de la transferencia de impulso, calor y masa (2ª ed.). Nueva York: Wiley. ISBN 978-0-471-93354-0. OCLC  2213384.
6. Faghri, Amir; Zhang, Yuwen; Howell, Juan (2010). Transferencia avanzada de calor y masa . Columbia, MO: Prensa digital global. ISBN 978-0-9842760-0-4.
7. Taylor, RA (2012). "Impactos socioeconómicos de la investigación sobre transferencia de calor". Comunicaciones internacionales en transferencia de calor y masa . 39 (10): 1467-1473. doi :10.1016/j.iheatmasstransfer.2012.09.007.
8. "Transferencia masiva". Pedia de fluidos térmicos . Central de Fluidos Térmicos.
9. Abbott, JM; Smith, HC; Van Ness, MM (2005). Introducción a la termodinámica de la ingeniería química (7ª ed.). Boston, Montreal: McGraw-Hill. ISBN 0-07-310445-0.
10. "Conducción de calor". Pedia de fluidos térmicos . Central de Fluidos Térmicos.
11. Çengel, Yunus (2003). Transferencia de calor: un enfoque práctico (2ª ed.). Boston: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-245893-0.
12. "Transferencia de calor por convección". Pedia de fluidos térmicos . Central de Fluidos Térmicos.
13. "Convección - Transferencia de calor". Borde de ingenieros . Consultado el 20 de abril de 2009 .
14. Incropera, Frank P.; et al. (2012). Fundamentos de la transferencia de calor y masa (7ª ed.). Wiley. pag. 603.ISBN​ 978-0-470-64615-1.
15. Wei, Tao; Zhang, Mengqi (diciembre de 2020). "Capas líquidas de condensación inestables de Rayleigh-Taylor con efectos no lineales de convección interfacial y difusión de vapor". Revista de mecánica de fluidos . 904 . Código Bib : 2020JFM...904A...1W. doi :10.1017/jfm.2020.572. ISSN  0022-1120. S2CID  225136577.
16. "Radiación". Pedia de fluidos térmicos . Central de Fluidos Térmicos.
17. Howell, John R.; Menguc, diputado; Siegel, Robert (2015). Transferencia de calor por radiación térmica . Taylor y Francisco.
18. Mojiri, A (2013). "División del haz espectral para la conversión eficiente de energía solar: una revisión". Reseñas de energías renovables y sostenibles . 28 : 654–663. doi :10.1016/j.rser.2013.08.026.
19. Taylor, Robert A.; Phelan, Patrick E.; Otanicar, Todd P.; Walker, Chad A.; Nguyen, Mónica; Trimble, Steven; Prasher, Ravi (marzo de 2011). "Aplicabilidad de nanofluidos en colectores solares de alto flujo". Revista de Energías Renovables y Sostenibles . 3 (2): 023104. doi : 10.1063/1.3571565.
20. "Plantas de energía termosolar - Administración de Información Energética de EE. UU. (EIA)". www.eia.gov . Consultado el 28 de enero de 2022 .
21. Megan Crouse: este gigantesco horno solar puede derretir acero manufacturer.net, 28 de julio de 2016, consultado el 14 de abril de 2019.
22. Ver Destellos en el cielo: Explosiones de rayos gamma de la Tierra provocadas por rayos
23. David.E. Goldberg (1988). 3.000 problemas resueltos en química (1ª ed.). McGraw-Hill. Sección 17.43, página 321. ISBN 0-07-023684-4.
24. Louis Theodore, R. Ryan Dupont y Kumar Ganesan (Editores) (1999). Prevención de la contaminación: el enfoque de gestión de residuos para el siglo XXI . Prensa CRC. Sección 27, página 15. ISBN 1-56670-495-2. {{cite book}}: |author=tiene nombre genérico ( ayuda )
25. Tro, Nivaldo (2008). Química: un enfoque molecular . Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice Hall. pag. 479. Cuando una sustancia se condensa de gas a líquido, se produce la misma cantidad de calor, pero el calor se emite en lugar de absorberse.
26. C. Michael Hogan (2011) Azufre , Enciclopedia de la Tierra, eds. A. Jorgensen y CJ Cleveland, Consejo Nacional para la Ciencia y el Medio Ambiente, Washington DC
27. Wendl, MC (2012). Fundamentos teóricos de la transferencia de calor por conducción y convección. Fundación Wendl.
28. Peng, Z.; Doroodchi, E.; Moghtaderi, B. (2020). "Modelado de transferencia de calor en simulaciones de procesos térmicos basadas en el método de elementos discretos (DEM): desarrollo de teoría y modelo". Progresos en Ciencias de la Energía y la Combustión . 79, 100847: 100847. doi : 10.1016/j.pecs.2020.100847. S2CID  218967044.
29. "Cómo simplificar para números de Biot pequeños". 9 de noviembre de 2016 . Consultado el 21 de diciembre de 2016 .
30. Bonan, Gordon (2019). Cambio climático y modelización de ecosistemas terrestres . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 2.ISBN​ 9781107043787.
31. "Transferencia de energía térmica: descripción general | Temas de ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Consultado el 18 de junio de 2022 .
32. "Emisividad: descripción general | Temas de ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Consultado el 18 de junio de 2022 .
33. Fundamentos de la termodinámica clásica , 3ª ed. pag. 159, (1985) de GJ Van Wylen y RE Sonntag: "Un motor térmico puede definirse como un dispositivo que opera en un ciclo termodinámico y realiza una cierta cantidad de trabajo neto positivo como resultado de la transferencia de calor desde un cuerpo de alta temperatura". A menudo, el término motor térmico se utiliza en un sentido más amplio para incluir todos los dispositivos que producen trabajo, ya sea mediante transferencia de calor o combustión, aunque el dispositivo no opere en un ciclo termodinámico. El motor y la turbina de gas son ejemplos de tales dispositivos, y llamar a estos motores térmicos es un uso aceptable del término".
34. Eficiencia mecánica de los motores térmicos , p. 1 (2007) de James R. Senf: "Los motores térmicos están fabricados para proporcionar energía mecánica a partir de energía térmica".
35. "Comprensión de los intercambiadores de calor: tipos, diseños, aplicaciones y guía de selección". www.thomasnet.com . Consultado el 18 de junio de 2022 .
36. "¿Qué es un intercambiador de calor?". Soluciones térmicas totales Lytron . Consultado el 12 de diciembre de 2018 .
37. "EnergySavers: consejos para ahorrar dinero y energía en casa" (PDF) . Departamento de Energía de EE. UU. Archivado desde el original (PDF) el 19 de enero de 2012 . Consultado el 2 de marzo de 2012 .
38. Chen, Meijie; Pang, Dan; Chen, Xingyu; Yan, Hongjie; Yang, Yuan (2022). "Enfriamiento radiativo pasivo diurno: fundamentos, diseños de materiales y aplicaciones". EcoMat . 4 . doi : 10.1002/eom2.12153 . S2CID  240331557. El enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) disipa el calor terrestre al espacio exterior extremadamente frío sin utilizar ningún aporte de energía ni producir contaminación. Tiene el potencial de aliviar simultáneamente los dos principales problemas de la crisis energética y el calentamiento global.
39. Lunes, Jeremy (2019). "Abordar el cambio climático mediante el enfriamiento radiativo". Julio . 3 (9): 2057–2060. doi : 10.1016/j.joule.2019.07.010 . S2CID  201590290. Al cubrir la Tierra con una pequeña fracción de materiales que emiten térmicamente, se puede aumentar el flujo de calor que sale de la Tierra y el flujo radiativo neto se puede reducir a cero (o incluso hacer negativo), estabilizando (o enfriando) así. la tierra.
40. Aili, ablímite; Yin, Xiaobo; Yang, Ronggui (octubre de 2021). "Potencial global de enfriamiento radiativo del cielo ajustado a la densidad de población y la demanda de enfriamiento". Atmósfera . 12 (11): 1379. doi : 10.3390/atmos12111379 .
41. Yu, Xinxian; Yao, Fengju; Huang, Wenjie; Xu, Dongyan; Chen, Chun (julio de 2022). "Energía renovable". Energía renovable . 194 - vía Elsevier Science Direct. El enfriamiento radiativo es una tecnología renovable que promete alcanzar este objetivo. Es una estrategia de enfriamiento pasivo que disipa el calor a través de la atmósfera hacia el universo. El enfriamiento radiativo no consume energía externa, sino que recolecta frío del espacio exterior como una nueva fuente de energía renovable.
42. "La conservación de energía permite que la energía aparezca aparentemente de la nada (no, eso no implica energía gratuita ilimitada)". Rompecabezas climáticos . 9 de octubre de 2022 . Consultado el 24 de marzo de 2023 .
43. "IPCC, 2021: Cambio climático 2021: La base de la ciencia física. Contribución del Grupo de trabajo I al Sexto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático". IPCC . Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, EE.UU. pag. 2232 . Consultado el 24 de marzo de 2023 . Efecto invernadero: El efecto de radiación infrarroja de todos los componentes de la atmósfera que absorben infrarrojos. Los gases de efecto invernadero (GEI), las nubes y algunos aerosoles absorben la radiación terrestre emitida por la superficie de la Tierra y otras partes de la atmósfera. Estas sustancias emiten radiación infrarroja en todas direcciones, pero, en igualdad de condiciones, la cantidad neta emitida al espacio es normalmente menor que la que se habría emitido en ausencia de estos absorbentes debido al descenso de la temperatura con la altitud en la troposfera y la consiguiente debilitamiento de la emisión. Un aumento en la concentración de GEI aumenta la magnitud de este efecto; la diferencia a veces se denomina efecto invernadero mejorado. El cambio en la concentración de GEI debido a emisiones antropogénicas contribuye a un forzamiento radiativo instantáneo. La temperatura de la superficie de la Tierra y la troposfera se calientan en respuesta a este forzamiento, restableciendo gradualmente el equilibrio radiativo en la parte superior de la atmósfera.
44. Hartman, Carl; Bibb, Lewis. (1913). "El cuerpo humano y sus enemigos". World Book Co., pág. 232.
45. Cengel, Yunus A. y Ghajar, Afshin J. "Transferencia de masa y calor: fundamentos y aplicaciones", McGraw-Hill, cuarta edición, 2010.
46. Tao, Xiaoming. "Fibras, tejidos y prendas de vestir inteligentes", Woodhead Publishing, 2001
47. Wilmore, Jack H.; Costill, David L.; Kenney, Larry (2008). Fisiología del deporte y el ejercicio (6ª ed.). Cinética humana. pag. 256.ISBN​ 9781450477673.
48. "Condensado de Bose-Einstein (BEC) | Britannica". www.britannica.com . 19 de junio de 2023 . Consultado el 4 de julio de 2023 .
49. El presupuesto global de energía infrarroja de la termosfera de 1947 a 2016 y sus implicaciones para la variabilidad solar Martin G. Mlynczak Linda A. Hunt James M. Russell III B. Thomas Marshall Christopher J. Mertens R. Earl Thompson https://agupubs.onlinelibrary .wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL070965 ^{[ enlace muerto permanente ]}
50. "VII. Scala graduum caloris". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 22 (270): 824–829. 1701. doi :10.1098/rstl.1700.0082.
51. Ingenhousz, enero (1998) [1780]. "A Benjamin Franklin de Jan Ingenhousz, 5 de diciembre de 1780". En Oberg, Barbara B. (ed.). Los papeles de Benjamín Franklin . vol. 34, 16 de noviembre de 1780 al 30 de abril de 1781. Prensa de la Universidad de Yale. págs. 120-125, a través de Founders Online, National Archives.
52. Martín 1951, pag. 147.
53. Thompson 1786, pag. 273-304.
54. Thompson 1786, pag. 274.
55. Martín 1951, pag. 147-148.
56. Thompson 1786, pag. 277.
57. Thompson 1786, pag. 300.
58. Thompson 1786, pag. 296.
59. Thompson 1786, pag. 297-298.
60. Prout, William (1834). Química, meteorología y función de la digestión: consideradas con referencia a la teología natural. Los tratados de Bridgewater: Sobre el poder, la sabiduría y la bondad de Dios manifestados en la creación. Tratado 8. William Pickering. págs. 65–66.

Referencias

• Martín, Thomas (1951). "Las investigaciones experimentales de Benjamin Thompson, el conde Rumford". Boletín de la Sociedad Británica de Historia de la Ciencia . 1 (6): 144-158).
• Thompson, Benjamín (1 de enero de 1786). "XIV. Nuevos experimentos sobre el calor. Por el coronel Sir Benjamin Thompson, Knt. FRS En una carta a Sir Joseph Banks, Bart. PRS" Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 76 : 273–304. doi :10.1098/rstl.1786.0014.

enlaces externos

• Un libro de texto sobre transferencia de calor - (descarga gratuita).
• Thermal-FluidsPedia: una enciclopedia de fluidos térmicos en línea.
• Artículo de hiperfísica sobre transferencia de calor: descripción general
• Transferencia de calor entre estaciones: 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