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1. TRANSMISION DEL CALOR

La transmisión del calor también conocida como transmisión de energía térmica, o intercambio de calor, es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Su concepto está ligado a la Ley Cero de la Termodinámica, según la cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. Así pues, la transmisión de calor es un proceso de intercambio de energía entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. Existen tres formas de transmisión de calor: • • •

Convección. Radiación. Conducción.

Aunque estos tres mecanismos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de ellos predomine sobre los otros dos. Así por ejemplo, el calor que se transmite a través de la pared de una casa lo hace fundamentalmente por conducción. El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección. La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, el Flujo de calor, es decir, el calor transmitido por unidad de tiempo, es mayor cuanto mayor sea la diferencia térmica y a medida que esta va disminuyendo se hace mas lenta.

1.1 Conducción

En los sólidos la única forma de transferencia de calor es la conducción, donde la transmisión del calor se efectúa entre dos puntos de un mismo cuerpo y a través de él. 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 cantidad de calor que se transmite es proporcional a la diferencia de temperaturas ∆t entre los dos puntos y a un coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo, llamado coeficiente de conductividad λ , e inversamente proporcional a la distancia δ entre los dos puntos. Si deseamos conocer la cantidad de calor que atraviesa por segundo la pared de un mismo cuerpo de superficie “S” y en la que por un lado hay una temperatura exterior Te y en el otro una interior Ti, se calcula mediante la expresión:

Donde: Q = Potencia calorífica (cantidad de Calor por segundo) que atraviesa la pared, en w o J/s. S = superficie de la pared en metros cuadrados (m2) λ = coeficiente de conductividad térmica de la pared, se expresa en W/(m K) e = espesor de la pared, se expresa en metros (m) Te = temperatura exterior, se expresan en grados Kelvin (K) Ti = temperatura interior, se expresan en grados Kelvin (K) El coeficiente de conductividad térmica λ varía con la temperatura. Por tanto, lo más correcto es tomar el coeficiente correspondiente a la temperatura media [(t1+t2)/2] sin que el error cometido sea de consideración.

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El coeficiente λ es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y baja en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, y por esto reciben el nombre de aislantes térmicos. Por ejemplo, una manta es un mal conductor de calor. Por eso, cuando nos tapamos con una manta, nos protege de perder el calor de nuestro cuerpo y nos aísla de las corrientes de convección que nos lo pudieran robar. En la figura 1 se muestran planchas y coquillas de espuma elastomérica utilizadas como aislantes para reducir las perdidas en las tuberías

Fig. 1: Planchas y coquillas de espuma elastomérica.

Tabla 1: Conductividad térmica de la espuma elastomérica.

Otros aislantes como el poliuretano expandido con densidad de 30 kg/m 3, vale 0,015 kcal/(h m ºC), mientras que para el cobre toma un valor de 330 kcal/(h m ºC). En el caso de transmisión de calor a través de las superficies interior y exterior de un tubo, vamos a determinar la expresión que nos permita conocer la cantidad de calor por segundo que pasa por la pared de dicho tubo. Sea una tubería cuyos radios son r (interior) y R (exterior) y longitud L. Consideremos en ella una zona anular, situada a una distancia X del centro y de espesor infinitesimal dx. Sea dT la diferencia de temperaturas entre la superficie exterior e interior que limitan esa zona de espesor dx. Tendremos entonces: Q = 2·π· X· L·

λ·

dT dx

donde: 2·π· X· L = superficie de la tuberia λ = coeficiente de conductividad térmica de la pared, se expresa en W/(m K) dT = la diferencia de temperaturas entre la superficie exterior e interior que limitan la zona anular x dx = espesor de la zona anular Realizando operaciones matemáticas a la anterior expresión, obtenemos:

Q=

2·π· X· L· λ ·∆T R ln r

Fig. 2: Tubería para el calculo del calor que atraviesa su pared

1.2 Convección

Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento de las propias partículas del fluido, transfiriéndose calor desde las zonas calientes a las frías, por un proceso llamado convección. El fenómeno de convección requiere de un movimiento de materia, por lo que es característico de líquidos y gases.

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Todos los fluidos al calentarse pierden densidad, por lo cual en una mezcla de partículas calientes y frías de un mismo fluido, las mas calientes se sitúan encima de las frías, lo que dará lugar a un trasiego que origina las denominadas corrientes de convección. Este movimiento del fluido puede ser:

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Natural. Como ya sabemos, si se calienta un líquido o un gas y la presión es constante, su volumen aumenta y por tanto su densidad disminuye. Si el fluido se encuentra en el campo gravitatorio, el más caliente y menos denso asciende, mientras que el más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. Si consideramos una habitación calentada por un radiador, el aire que pasa a su través se calienta y asciende y el aire frío baja el cual vuelve a calentarse e inicia su ascensión, mientras que el aire más caliente, situado arriba, pierde parte de su calor, enfriándose y volviendo a descender. Y así continuamente. Este fenómeno también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes y las corrientes oceánicas.

Fig. 3: Corrientes de aire producidas por convección en un radiador.

En instalaciones frigoríficas o de producción de calor tenemos el caso de convección natural en las neveras clásicas que no llevan ventilador en su interior o en los radiadores de la calefacción que muchos de nosotros tenemos en casa.

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Forzado. En este tipo de circulación el flujo de fluido se provoca artificialmente. El movimiento del fluido se origina mediante el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador. Por ejemplo, si revolvemos el agua que se está calentando al fuego, provocamos convección forzada. En este caso, el calentamiento se produce más rápidamente. Un ejemplo de convección forzada se produce en los sistemas de calefacción que incorporan un ventilador, como ocurre en los clásicos calefactores que se sitúan en espacios reducidos, como puede ser en un baño.

La transferencia de calor por estos dos procedimientos da lugar a que aparezcan en la industria del frío, por ejemplo, evaporadores de convección natural y de convección forzada, tal como se indica en la figura 4.

Fig. 4: Evaporadores de convección forzada (izda) y de convección natural (dcha).

CUESTION 1: ¿Cómo crees que afectan las corrientes naturales de convección en una habitación calefactada mediante un radiador al calentamiento de la estancia? ¿Qué ocurre si colocamos un ventilador frente al radiador? ¿Y si situamos el termostato muy cerca del techo o del suelo? SOLUCIÓN: Las corrientes naturales de convección hacen que el aire caliente suba hacia el techo (recuerda que el aire caliente tiene menor densidad y pesa menos) y el aire frío del resto de la habitación baje hacia el suelo (recuerda que el aire frio tiene mayor densidad, luego es más pesado) y se dirija hacia el radiador. Si ponemos un ventilador, debido al efecto de la convección forzada, se calentará mucho más deprisa el ambiente. Tanto si colocamos el termostato muy cerca del techo como muy cerca del suelo, su lectura no se corresponderá con la temperatura general de la habitación ya que, en las proximidades del techo el aire está más caliente y cerca del suelo está más frío.

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¿Sabías que debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo, y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo para que la eficiencia sea máxima?

Supongamos un fluido a una temperatura “t2”, en contacto con una pared plana de superficie “S” a una temperatura de “t1”, siendo t1 > t2. El flujo calorífico se transportará mediante convección y viene dado por la expresión:

Q = S ∗ α ∗ ( t1 − t2 ) Donde α es el coeficiente de transmisión térmica por convección, también llamado coeficiente de película, cuyas unidades son kcal/(h m2 ºC) o W/( m2 ºC).

1.3 Radiación

La propagación del calor por radiación se verifica de igual manera que la propagación de la luz. Ambas radiaciones son de naturaleza ondulatoria y electromagnética. Por tanto las radiaciones caloríficas están sometidas a las mismas leyes de reflexión, refracción, dispersión, etc. que la luz y ésta es también energía calorífica. Todos los cuerpos, por el hecho de estar a una cierta temperatura superior al cero absoluto, emiten una determinada cantidad de radiación, con lo que pierden energía enfriándose y calentando otros cuerpos. El calor radiado es tanto mayor cuanto mayor es su temperatura, independientemente de los cuerpos que le rodean. Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la luz y toda la energía que incide sobre él. Ninguna parte de la radiación que llega hasta él es reflejada o pasa a su través. Como estos cuerpos no reflejan la luz, se ven negros, de ahí su nombre. ¿Nunca has oído decir que en verano hay que ponerse ropa blanca porque es mucho más fresca? Es debido a que la ropa oscura absorbe toda la radiación, mientras que la blanca la refleja.

A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más rápida.

¿Sabías que a temperaturas ordinarias los cuerpos se ven por la luz que reflejan, no por la que emiten? Eso es lo que ocurre con la Luna, que la vemos gracias al reflejo de la luz del Sol. Sin embargo a temperaturas altas, los cuerpos son autoluminosos y es posible verlos brillar en cuartos oscuros.

Se llama intensidad de una radiación a la energía que, durante un segundo, recibe la unidad de superficie, colocada perpendicularmente a la dirección en que se propaga la radiación. Si una radiación de intensidad I llega a un cuerpo, una parte de ella R se refleja, otra D se difunde, otra T lo atraviesa y otra A es absorbida por el mismo, de modo que:

I=R+D+T+A

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Dividiendo por I: 1 = R/I + D/I + T/I +A/I de la cual se desprende lo siguientes casos: PODER ABSORBENTE (a) de un cuerpo, es la relación entre la energía absorbida y recibida por el mismo, o sea a = A/I. CUERPO NEGRO. Es aquel cuerpo en el que se verifique a = 1, esto es R + D + T = 0. CUERPO BRILLANTE. Es aquel cuerpo en el que se verifique I = R, esto es D + T + A = 0. CUERPO GRIS. Es aquel cuerpo que tiene características intermedias entre los cuerpos brillantes y negros. PODER EMISIVO de un cuerpo, es la energía radiante que emite la unidad de superficie del mismo por segundo. Esta magnitud depende de la temperatura y de la longitud de onda de la radiación.

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