Transferencia de calor: conducción, convección y radiación, con leyes y ecuaciones

Transferencia de calor: conducción, convección y radiación

Las leyes de la termodinámica (ley cero, primera y segunda ley) tratan la transferencia de energía, pero se refieren principalmente a sistemas en equilibrio y solo pueden usarse para predecir la cantidad de energía necesaria para cambiar un estado de equilibrio a otro. No permiten, sin embargo, predecir la rapidez con que se producen esos cambios.

La ciencia de la transferencia de calor complementa las leyes de la termodinámica y puede utilizarse para predecir la velocidad de transmisión de calor y la evolución de los parámetros durante el proceso en función del tiempo.

Mecanismos de transferencia de calor

1) Conducción (medio sólido)

Para que exista transferencia de calor por conducción se considera que el calor fluye a través de un medio cuyas moléculas están fijas, es decir, en un medio sólido. Ejemplos: metales, madera, plástico, etc. Estos materiales obedecen a este mecanismo.

La ecuación que rige la conducción es la Ley de Fourier:

Q_k = -k · A · dT/dx (Ley de Fourier)

Donde:

• Q_k: tasa de calor por conducción (por ejemplo, BTU/h).
• k: conductividad térmica del material (por ejemplo, BTU/(h·ft·°F) o W/(m·K) según el sistema de unidades).
• A: área (pie², m², según unidades).
• dx: espesor del material o lámina.
• dT: diferencial de temperatura (ΔT).

2) Convección

Para que exista transferencia de calor por convección, el calor se transmite a través de un medio cuyas moléculas o partículas presentan movimiento relativo, es decir, en un medio fluido (aire, agua, aceite). El mecanismo depende de las propiedades y del movimiento del fluido.

Tipos de convección

• Convección natural: se debe al gradiente térmico (ΔT) y se explica por las diferencias de densidad que aparecen debido a las distintas temperaturas, lo que provoca movimiento del fluido.
• Convección forzada: se lleva a cabo por la utilización de medios mecánicos como ventiladores, bombas, agitadores o extractores.

El coeficiente de convección «h» en la convección forzada depende de:

1. La velocidad de circulación del fluido.
2. La densidad del fluido.
3. El calor específico de la sustancia.
4. El diámetro de la tubería (o la geometría del conducto).
5. La viscosidad del fluido.
6. La conductividad térmica del material del que está hecho el conducto o la superficie.

3) Radiación

La radiación (Q_r) es el único mecanismo de transferencia de calor que no necesita un medio para propagarse; puede darse incluso en el vacío mediante ondas electromagnéticas. Si la radiación atraviesa un espacio vacío no se transforma en calor ni en otra forma de energía ni se desvía de su trayectoria. Sin embargo, si encuentra un material se transferirá, se reflejará o se absorberá. Solo la energía absorbida se manifiesta como calor; esta transformación es cuantitativa.

La ecuación que rige la radiación entre cuerpos es la ley de Stefan–Boltzmann (para superficies grises):

Q_r = ε · σ · A · (T_f⁴ − T_i⁴)

Donde:

• ε: emisividad de la superficie (0 ≤ ε ≤ 1).
• σ: constante de Stefan–Boltzmann (≈ 5.670374419·10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴).
• A: área de la superficie que emite o absorbe radiación.
• T_f, T_i: temperaturas absolutas (K) de las superficies involucradas.

En la práctica, según el contexto y el sistema de unidades (SI o inglés), pueden aparecer constantes o factores expresados de forma equivalente; por ejemplo, en algunos textos aparece una constante multiplicativa indicada como L o se usan unidades como BTU/h y pies en lugar de W y metros. Es importante emplear un sistema de unidades coherente al aplicar las ecuaciones.

— Fin del tema.