La convección (o transferencia de calor por convección ) es la transferencia de calor de un lugar a otro debido al movimiento de un fluido. Aunque a menudo se analiza como un método distinto de transferencia de calor, la transferencia de calor por convección implica los procesos combinados de conducción (difusión de calor) y advección (transferencia de calor mediante un flujo de fluido a granel ). La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases .
Tenga en cuenta que esta definición de convección solo es aplicable en contextos termodinámicos y de transferencia de calor . No debe confundirse con el fenómeno fluido dinámico de la convección , que normalmente se denomina convección natural en contextos termodinámicos para distinguir los dos.
La convección puede ser "forzada" mediante el movimiento de un fluido por medios distintos a las fuerzas de flotación (por ejemplo, una bomba de agua en el motor de un automóvil). La expansión térmica de los fluidos también puede forzar la convección. En otros casos, las fuerzas de flotación naturales por sí solas son totalmente responsables del movimiento del fluido cuando éste se calienta, y este proceso se denomina "convección natural". Un ejemplo es el tiro en una chimenea o alrededor de cualquier fuego. En la convección natural, un aumento de temperatura produce una reducción de la densidad, lo que a su vez provoca el movimiento del fluido debido a presiones y fuerzas cuando los fluidos de diferentes densidades se ven afectados por la gravedad (o cualquier fuerza g ). Por ejemplo, cuando se calienta agua en una estufa , el agua caliente del fondo de la olla es desplazada (o empujada hacia arriba) por el líquido más frío y denso, que cae. Una vez que se detiene el calentamiento, la mezcla y la conducción de esta convección natural eventualmente dan como resultado una densidad casi homogénea y una temperatura uniforme. Sin la presencia de gravedad (o condiciones que causen una fuerza g de cualquier tipo), no se produce la convección natural y sólo funcionan los modos de convección forzada. [ cita necesaria ]
El modo de transferencia de calor por convección comprende dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debido al movimiento molecular específico ( difusión ), la energía se transfiere mediante el movimiento masivo o macroscópico del fluido. Este movimiento está asociado al hecho de que, en cualquier instante, un gran número de moléculas se mueven colectivamente o como agregados. Este movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Debido a que las moléculas en agregado retienen su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a la superposición del transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del fluido. Es habitual utilizar el término convección cuando se refiere a este transporte acumulativo y el término advección cuando se refiere al transporte debido al movimiento de un fluido a granel. [1]
Se pueden distinguir dos tipos de transferencia de calor por convección:
En muchas aplicaciones de la vida real (p. ej., pérdidas de calor en receptores centrales solares o refrigeración de paneles fotovoltaicos), la convección natural y la forzada se producen al mismo tiempo ( convección mixta ). [4]
El flujo interno y externo también puede clasificar la convección. El flujo interno ocurre cuando un fluido está rodeado por un límite sólido, como cuando fluye a través de una tubería. Un flujo externo ocurre cuando un fluido se extiende indefinidamente sin encontrar una superficie sólida. Ambos tipos de convección, natural o forzada, pueden ser internas o externas porque son independientes entre sí. [ cita necesaria ] La temperatura total , o la temperatura promedio del fluido, es un punto de referencia conveniente para evaluar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor por convección, particularmente en aplicaciones relacionadas con el flujo en tuberías y conductos.
Se puede realizar una clasificación adicional dependiendo de la suavidad y ondulaciones de las superficies sólidas. No todas las superficies son lisas, aunque la mayor parte de la información disponible trata de superficies lisas. Las superficies irregulares onduladas se encuentran comúnmente en dispositivos de transferencia de calor que incluyen colectores solares, intercambiadores de calor regenerativos y sistemas subterráneos de almacenamiento de energía. Tienen un papel importante que desempeñar en los procesos de transferencia de calor en estas aplicaciones. Dado que aportan una complejidad añadida debido a las ondulaciones de las superficies, es necesario abordarlos con delicadeza matemática mediante elegantes técnicas de simplificación. Además, afectan las características de flujo y transferencia de calor, por lo que se comportan de manera diferente a las superficies rectas y lisas. [5]
Para una experiencia visual de convección natural, se puede colocar un vaso lleno de agua caliente y un poco de colorante alimentario rojo dentro de una pecera con agua fría y clara. Se puede ver que las corrientes de convección del líquido rojo aumentan y disminuyen en diferentes regiones y luego finalmente se estabilizan, lo que ilustra el proceso a medida que se disipan los gradientes de calor.
A veces se supone vagamente que el enfriamiento por convección se describe mediante la ley de enfriamiento de Newton. [6]
La ley de Newton establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y su entorno mientras se encuentra bajo los efectos de una brisa . La constante de proporcionalidad es el coeficiente de transferencia de calor . [7] La ley se aplica cuando el coeficiente es independiente, o relativamente independiente, de la diferencia de temperatura entre el objeto y el ambiente.
En la transferencia de calor por convección natural clásica, el coeficiente de transferencia de calor depende de la temperatura. Sin embargo, la ley de Newton se aproxima a la realidad cuando los cambios de temperatura son relativamente pequeños y para aire forzado y enfriamiento líquido bombeado, donde la velocidad del fluido no aumenta al aumentar la diferencia de temperatura.
La relación básica para la transferencia de calor por convección es:
donde es el calor transferido por unidad de tiempo, A es el área del objeto, h es el coeficiente de transferencia de calor , T es la temperatura de la superficie del objeto y Tf es la temperatura del fluido. [8]
El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de las propiedades físicas del fluido y de la situación física. Se han medido y tabulado los valores de h para fluidos y situaciones de flujo que se encuentran comúnmente.
