Transferencia de calor

Introducción

la energía? De ella sabemos, por ejemplo, que puede fluir en diversas formas, como la energía calórica, la energía eléctrica y el trabajo mecánico. También, que se puede almacenar en diversas formas tales como energía de formación en un resorte comprimido, energía interna en un cuerpo caliente y energía química en un combustible.es decir que el mundo físico entero es una manifestación de energía. Por ejemplo, podríamos decir que la energía calórica fluye debido a la diferencia de temperatura o que expresa la energía interna de un material en términos de la actividad de un átomo, pero sin embargo esto no contesta la pregunta inicial.

La verdad es que en realidad desconocemos la respuesta. La mayoría de las materias científicas y tecnológicas comienzan con una aceptación del concepto de energía y tratan las diversas formas de energía y masa como elemento fundamental del universo. Los problemas que se refieren a la naturaleza fundamental y la existencia de energía son más apropiados a los campos de la filosofía y religión. La ciencia no puede dar razones de la existencia de energía o la existencia del mundo físico. Nosotros mismo somos parte de este universo físico, parte de la energía que deseamos entender y debido a esto ser esencialmente imposible entender la existencia de la energía. Sin embargo, esto no debe desalentarnos en el estudio de las características de diversas energías. El progreso realizado por el hombre y que lo a llevado a su estado presente de civilización, a sido gracias a que a recabado información acerca de ella.

El tema de este trabajo se refiere precisamente a una de las muchas manifestaciones de la energía, el calor. Un claro ejemplo:

Cuando salimos de la ducha o de la pileta, sentimos frío. ¿Por qué? El agua, al evaporarse, toma calor, es decir que cuando el agua se transforma en vapor le quita calor al cuerpo y por eso sentimos frío. Lo mismo pasa si nos ponemos alcohol o acetona sobre la piel; el líquido se evapora más rápidamente que el agua, y al quitar más rápido el calor de la piel sentimos más frío.

En verano mojarse puede ser un alivio. Pero si nos mojamos en invierno hay que secarse enseguida, porque el agua, al evaporarse, quita calor del cuerpo. Cuando hace calor o hacemos ejercicio físico, transpiramos más. La evaporación del sudor ayuda a bajar la temperatura del cuerpo. Esta propiedad también puede observarse con los aerosoles. Cuando rociamos una cantidad considerable de cualquier producto envasado en aerosol, notamos que el envase se enfría.

• Dentro del envase hay una sustancia, el propelente, que sirve para impulsar el producto que se desea rociar (por ejemplo, desodorante o insecticida). El propelente, en condiciones normales, es una sustancia gaseosa, pero dentro del aerosol se encuentra comprimido en estado líquido.

• Cuando se oprime la válvula, la presión interna del envase empuja su contenido hacia fuera y sale el propelente con el producto. Esto disminuye la presión en el interior del envase.

• Al haber menos presión, parte del líquido que está en el envase se evapora.

• Al evaporarse, el propelente absorbe calor del ambiente. Por lo tanto, los materiales próximos, como el envase, se enfrían.

El aerosol se enfría porque la evaporación quita calor.

En los ejemplos anteriores se pudo observar que cuando un líquido se hace gas (evaporación), quita o absorbe calor. Esto se debe a que el gas tiene un mayor contenido energético que el líquido, si tienen la misma temperatura. En el caso contrario, cuando un gas se hace líquido (condensación), se libera calor. En estas transformaciones, la diferencia de energía entre ambos es liberada o absorbida en forma de calor.

La compresión calienta, la expansión enfría

Cuando inflamos la rueda de una bicicleta, notamos que el tubo del inflador se calienta.

Cuando un gas se comprime, aumenta su temperatura (se calienta); y cuando se expande(aumenta su volumen), su temperatura disminuye (se enfría).Al inflar la rueda, empujamos con un émbolo el aire contenido dentro d el tubo del inflador (le entregamos energía en forma de trabajo).Al comprimirse, el aire aumenta su temperatura, le transfiere calor al tubo del inflador (que se encontraba a menor temperatura) y hace que éste se caliente.

El inflador se calienta porque el gas se comprime.

Estos cambios se deben a la pérdida de energía del gas cuando se expande, a causa del trabajo que realiza al "empujar hacia fuera" y a la energía que se le transfiere al comprimirlo cuando se lo "empuja hacia adentro".Los cuerpos, sometidos a la influencia de una fuente calórica, se calientan, es decir, absorben parte del calor transmitido. También esos cuerpos, en función del material de que están constituidos, no absorben ese calor de la misma forma e intensidad.

El calor absorbido por el cuerpo lo recorre interiormente, desde la cara expuesta a la fuente calórica, hasta la cara opuesta. Es decir desde una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura.

En este fenómeno, que se conoce con el nombre de conductividad térmica, vemos que no todo el calor absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo podemos comprobar aplicando una mano sobre ambas caras, con lo cual sentiremos que la cara opuesta está más fría que la expuesta.

Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce como resistencia térmica del material.

La propiedad de retener parte del calor absorbido e impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la capacidad aislante al calor que posee el material.

En un muro cualquiera de una construcción, el calor imperante en el exterior, pasará a través de su masa al interior del local, en la medida que su capacidad aislante lo permita.

Si dentro de un ambiente debemos lograr un rango de confort determinado, en función de las normas mínimas de habitabilidad, habrá que diseñar el muro con materiales y espesores adecuados, de modo tal que se logre el máximo aislamiento.

La transmitancia térmica, es decir, la propiedad de los cuerpos de dejar pasar calor a través de su masa, deberá entonces limitarse.

Para ello debemos estudiar los fenómenos de transferencia de energía en forma de calor, que comúnmente denominamos transferencia de calor.

El fenómeno de transferencia

Hemos visto que cuando dos o más sistemas de temperaturas diferentes se ponen en comunicación entre sí a través de una pared diatérmana alcanzan el estado de equilibrio térmico.

Este fenómeno se explica por el pasaje de energía calorífica de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura y se lo denomina transmisión de calor. En un sentido más amplio, este fenómeno se produce también entre las porciones de un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas y entre cuerpos que no estando en contacto se encuentran también a temperaturas diferentes.

En este fenómeno el estado de agregación molecular es importante, ya que de acuerdo a como estén vinculadas estas moléculas, se presentarán tres formas de transmisión de calor:

• 1) Conducción: esta forma de transmisión de calor se manifiesta principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia. La transmisión de calor puede producirse de una parte a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro en contacto con él.

• 2) Convección: esta forma se manifiesta en los líquidos y gases que alcanzan el equilibrio térmico como consecuencia del desplazamiento de materia que provoca la mezcla de las porciones del fluido que se encuentran a diferentes temperaturas. La convección será natural cuando el movimiento del fluido se debe a diferencias de densidad que resultan de las diferencias de temperatura. La convección será forzada cuando el movimiento es provocado por medios mecánicos, por ejemplo mediante un agitador en los líquidos o un ventilador en los gases.

• 3) Radiación: es la forma de transmisión en la que el calor pasa de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura sin que entre ellos exista un vinculo material. Esto indica que el calor se transmite en el vacío, en forma de ondas electromagnéticas denominadas comúnmente radiación o energía radiante.

Si bien para facilitar el fenómeno de transmisión hemos separado el fenómeno en tres formas diferentes, en la naturaleza el calor generalmente se transmite en dos o tres formas simultáneamente. Es decir que la conducción puede incluir también convección y radiación y los problemas de convección incluyen a la conducción y a la radiación.

Conducción del calor

Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras y se las denomina buenos conductores, mientras que aquellas que lo hacen con mayor dificultad se denominan malos conductores o aisladores. Entre las primeras se encuentran los metales y entre los malos conductores los gases y los líquidos como así también muchos cuerpos sólidos. Se debe tener en cuenta que el mercurio por ser un metal es buen conductor del calor a pesar de encontrarse en estado líquido.

El mecanismo de la transmisión del calor se estudia más fácilmente en los cuerpos sólidos pues en este caso no hay convección. Al no haber movimiento relativo de moléculas.

La temperatura de un punto de un sólido en un instante dado, cuando el sólido está transmitiendo calor por conducción, depende de las coordenadas del punto considerado. Por otra parte, para cada punto en particular, la temperatura será en general función del tiempo.

Si referimos todos los puntos del sólido a un sistema de coordenadas x, y, z y llamamos (( al tiempo, podremos escribir entonces para la temperatura t que:

t = f(x, y, z, ()

Cuando como en este caso, la distribución de las temperaturas de los puntos de un sólido depende no sólo de las coordenadas de los diferentes puntos sino también del tiempo, el estado térmico del cuerpo se denomina de régimen variable.

En un cuerpo sólido puede ocurrir que después de un cierto tiempo las temperaturas de todos sus puntos permanezcan constantes o sea que no varía con el tiempo. En este caso la distribución de las temperaturas dependerá solamente de las coordenadas de los diferentes puntos considerados, por lo que escribiremos:

t = f (x, y, z )

En este caso el estado térmico se denomina de régimen estacionario o permanente.

ESTADO TÉRMICO ESTACIONARIO: GRADIENTE O CAÍDA DE TEMPERATURA

Supongamos, para simplificar, que el calor se transmite a lo largo del eje x, o sea que la distribución de las temperaturas es función de esa coordenada:

t = f (x ) en régimen estacionario

Además tomaremos una variación lineal de t con respecto a x, o sea:

t = a + b x

Para un punto A, la temperatura será:

La caída media de temperatura entre A y B será:

A la magnitud G se denomina gradiente de temperatura.

LEY DE FOURIER

Supongamos que por los puntos A y B pasan planos perpendiculares a la dirección x, que determinan en el sólido las áreas S1 y S2 que poseen respectivamente, temperatura uniforme (superficies isotermas).

Si la temperatura es función lineal de x, la gradiente de temperatura tendrá el mismo valor entre los puntos A y B.

Podemos definir entonces el coeficiente de conductibilidad térmica como la cantidad de calor que se transmite en un segundo, a través de la unidad de superficie, entre dos planos paralelos distantes la unidad de longitud y cuando la diferencia de sus temperaturas es de 1°C.

Unidades del coeficiente de conductibilidad

En el sistema internacional o SI, el que adopta en nuestro país para las normas IRAM, denominado SIMELA, el coeficiente de conductibilidad térmica será:

VALORES DEL COEFICIENTE DE CONDUCTIBILIDAD

Así por ejemplo, bastan trozos de arsénico en el cobre para reducir su conductividad térmica hasta cerca de la tercera parte de la correspondiente al cobre puro. Este proceso se denomina dopado, y se utiliza en la fabricación de semiconductores que se usan en la industria electrónica.

Flujo calorífico

La ley de Fourier establece:

En la expresión del flujo calorífico, se observa que depende de la diferencia de temperatura, en consecuencia, cuando la diferencia de temperaturas permanece constante, el flujo también será constante. Esto ocurre en el estado de régimen estacionario o permanente, pues la distribución de temperaturas es constante lo que mantiene constante la diferencia de temperaturas.

Por lo contrario, en el estado de régimen térmico variable, la distribución de las temperaturas varía con el tiempo, y también variará la diferencia de temperaturas, en consecuencia el flujo será variable.

Superficies isotermas

Se llaman superficies isotérmicas a las definidas por los puntos del sólido que poseen igual temperatura. La transmisión del calor se dirige en dirección normal a dichas superficies isotermas. Las normales a las superficies coincidirán entonces con las direcciones del flujo calorífico, y se denominan líneas de flujo.

En la figura, se observa un sólido que ha sido cortado con un plano que determina con las superficies isotermas las curvas isotérmicas (1), (2) y (3) de temperaturas t1, t2 y t3.

a, b, c son las líneas de flujo.

Hemos visto que,

Suponiendo el estado de régimen térmico estacionario, el flujo calorífico permanecerá constante, y siendo d( la resistencia térmica del material entre las superficies de temperaturas t1 y t2, se obtiene al integrar:

Recomendaciones para evitar el recalentamiento de artefactos eléctricos aplicando los principios de transferencia de calor:

Utilizar placas (preferiblemente de aluminio) que estén en contacto con los circuitos eléctricos de manera que pueda ocurrir una transferencia por conducción.

Utilizar un extractor de manera que haya una transferencia por conducción debido a que el calor va a ser transferido de los componentes electrónicos hacia el aire y este será extraído por el extractor.

Con respecto a la transferencia por radiación no es posible hacerla en este tipo de mecanismo.

Conclusiones

Para una descripción cuantitativa de los fenómenos térmicos, es necesaria una definición cuidadosa de conceptos como: temperatura, calor y energía interna. Para entender el concepto de temperatura es útil definir dos frases usadas con frecuencia, contacto térmico y equilibrio térmico. Para comprender el significado de contacto térmico, basta imaginar dos objetos situados en un recipiente aislado de manera que interactúen entre sí pero no con el resto de mundo. Si los objetos están a diferentes temperaturas, entre ellos se intercambia energía, aun cuando no estén en contacto físico.

El calor es la transferencia de energía de un objeto a otro como resultado de una diferencia de temperatura entre los dos. El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico dejan de intercambiar energía por el proceso de calor ya que los dos alcanzaron la misma temperatura.

Los termómetros son instrumentos que se usan para medir temperaturas, todos están basados en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia conforme cambia la temperatura del sistema; algunas de esas propiedades son: el volumen de un líquido, la longitud de un sólido, la presión de un gas, la resistencia eléctrica de un conductor, entre otras. Los termómetros más comunes constan de una masa de líquido (mercurio o alcohol) que se expande dentro de un tubo de vidrio capilar cuando se calienta. La energía interna es toda aquella energía de un sistema que está asociada con sus componentes microscópicos (átomos y moléculas) y que se relaciona con la temperatura de un objeto. Cuando se calienta una sustancia, se le está transfiriendo energía al ponerla en contacto con un ambiente de mayor temperatura, el término calor se usa así para representar la cantidad de energía transferida. Es importante comprender la relación a la cual la energía se transfiere y los mecanismos responsables de la transferencia. Se conocen tres mecanismos de transferencia de energía; el proceso de transferencia de energía que está más claramente asociado con una diferencia de temperatura es la conducción térmica. Otro mecanismo es por convección, se ve cuando la transferencia es por el movimiento del medio que puede ser aire o agua y el movimiento es por cambios en la densidad. La tercera forma de transferir energía es radiación. Todos los objetos radian energía continuamente, un cuerpo que está más caliente que sus alrededores radia más energía de la que absorbe, en tanto que un cuerpo que está más frío que su alrededor absorbe más energía de la que radia. Las conclusiones que podemos al estudiar el calor y la energía son:

1.- El calor se transfiere en forma de energía

2.- El calor se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura

3.- La energía se transfiere por tres mecanismos: conducción, convección y radiación

4.- La temperatura es la medida de la energía interna de un sistema.

5.- La temperatura se puede medir con los termómetros y no con sensaciones térmicas.

Autor:

T.S.U Camacho Jhandro

Docente:

Ing. Lourdes Moreno

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria

Instituto Universitario de Tecnología Agro Industrial

Programa Nacional de Formación de Ingeniería Mecánica

San Cristóbal, Octubre 2014