Trabajo de Termodinámica

Transferencia de Calor por Conducción, Convección y Radiación

María José Rivadeneira

CIENCIAS DE LA INGENIERÍAIngeniería Industrial y Procesos

Es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la ley cero de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto.

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier:Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.

Donde:

Es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x

(o λ) Es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica Es la temperatura. Es el tiempo.

LEY DE FOURIER

Es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la substancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.

Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, es baja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos.

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción.

La conductividad térmica se expresa en unidades de W/m·K (J/s · m · °C).

Se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos.

Al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, disminuyen su densidad y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

Coeficiente de convección, representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección.

Convección libre no interviene ninguna fuerza externa para variar la velocidad de circulación del fluido. Una estufa, un brasero, un radiador de calefacción calienta el aire que le rodea que tiende a subir, el aire "se mueve naturalmente" (convección libre). Lo mismo sucede al interior de un refrigerador o heladera que enfría el aire en contacto con el evaporador el cual tiende a bajar, el aire "se mueve naturalmente" (convección libre) por esa razón se ubican las bebidas y verduras en el nivel de abajo que es el más frío.

Convección forzada una fuerza externa hace variar la velocidad de la circulación del fluido. Por ejemplo, un coche tiene su radiador con un ventilador (convección forzada) el que empuja el aire a través del enrejado del radiador y favorece el enfriamiento del agua que contiene.

La convección siempre implica un movimiento del fluido: En la convección libre esta se produce solo en las proximidades del

sólido. En la convección forzada en todo el fluido.

En fluidos compresibles, es decir, cualquier gas la convección puede producir que el aire calefaccionado siempre tiende a subir al techo en una habitación.

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada.

En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío, o bien que no exista materia entre ellas.

La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.

H = A.e. σ .T4 [J/s] =[watt] [cal/h]

H: flujo de calor [J/s]. A: superficie que emite o recibe. e: poder emisor, número no dimensional, que esta entre 0 y

1. σ : constante de radiación (σ = 5,6699.10-8.W/m ².K4).