Principios Básicos de la Transmisión Térmica

Mecanismos Fundamentales de Transferencia de Calor

La transferencia de calor es un proceso esencial en la física y la ingeniería, que describe cómo la energía térmica se mueve de un lugar a otro. Existen tres mecanismos principales:

1. Conducción

La conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes dentro de un material. El medio en sí no se mueve. La conducción puede tener lugar en sólidos, líquidos o gases. En los gases y sólidos, la conducción se debe a las colisiones de las moléculas durante su movimiento aleatorio. La transferencia de calor por conducción se produce a través de los sólidos (ejemplo: puede ser una vela con un alambre).

Esta transferencia de energía debido al movimiento molecular aleatorio es denominada difusión de energía.

En los metales, los electrones se encuentran libres y transitan de forma más rápida y más eficiente, permitiendo una mejor conducción del calor en materiales metálicos que en los no-metálicos.

Conductividad Térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor.

2. Convección

La convección es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante el movimiento real de un fluido calentado. El fluido se eleva y luego se sustituye por fluido más frío, lo que produce corrientes de convección. La geometría de las superficies calentadas (pared, techo, suelo) afecta significativamente la convección.

Tipos de Convección

El fenómeno de transferencia de calor por convección se clasifica en dos categorías:

• Convección Forzada: Se hace pasar el fluido por el sistema mediante la acción de algún agente externo, por ejemplo, ventilador, rotor, agitador, turbinas.
• Convección Natural o Libre: El movimiento del fluido es resultado de los gradientes en densidad que experimenta el fluido al estar en contacto con una superficie de mayor temperatura y en presencia de un campo gravitacional específico.

3. Radiación

La radiación es el proceso por el cual la energía se transfiere mediante ondas electromagnéticas. Ejemplo: el Sol.

Principios Adicionales de Transferencia de Calor

Flujo de Calor y Gradientes Térmicos

La transferencia de calor por conducción es el proceso por el que la energía térmica se transfiere mediante colisiones moleculares adyacentes desde un medio de mayor temperatura a uno de menor temperatura.

Un medio de alta temperatura implica alta energía molecular. Las moléculas, al estar constantemente colisionando, están transfiriendo la energía de las moléculas de mayor energía a las de menor energía; es decir, desde una mayor temperatura a una de menor temperatura.

Condiciones de Frontera del Flujo de Calor

Muchas veces es posible conocer la velocidad de la transferencia de calor o el flujo de calor en una superficie. Por lo tanto, para una transferencia de calor unidimensional, esta frontera se expresa como (véase en apuntes).

Hay 2 casos de flujo de calor en la superficie:

• a) Condición de Aislamiento

  Las superficies son aisladas para reducir el flujo de calor. Cuando una superficie es muy pequeña, puede ser aproximado a cero. Esta condición es expresada como

• b) Condición de Convección de Frontera

  Es la más común, ya que la mayor parte de las superficies de transferencia de calor están expuestas a un medio y a una temperatura específica. La condición de convección de frontera se basa en un balance de energía superficial expresada como (véase en apuntes).