conductividad termica

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto
entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temC
peratura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar
por tres mecanismos físicos: conducción, convección y radiación, que se ilustran
en la figura 1.



Figura1. Esquema de los mecanismos de transferencia de calor.

1. CONDUCCION .

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a
través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas
con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos
energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas
a lasmás bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es
un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o
plásticos se llaman aislantes.
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos
partes del medio conductor. Para un volumen de espesor Δx, con área de sección
transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran adiferentes T1 y T2,
con T2 > T1, como se muestra en al figura 14.2, se encuentra que el calor ΔQ
transferido en un tiempo Δt fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H
(en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia
de calor H = ΔQ/Δt, está dada por la ley de la conducción de calor de
Fourier.



donde k (en W/mK) sellama conductividad térmica del material, magnitud
que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la
consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura.
El signo menos indica que la conducción de calor es en la dirección decreciente
de la temperatura. En la tabla 14.1 se listan valores de conductividades térmicas
para algunosmateriales, los altos valores de conductividad de los metales
indican que son los mejores conductores del calor.







Tabla 1. Algunos valores de conductividades térmicas.




Si un material en forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su
largo por un material aislante, como se muestra en la figura 14.3, cuyos extremos
de área A están encontacto térmico con fuentes de calor a temperaturas
T1 y T2 > T1, cuando se alcanza el estado de equilibrio térmico, la temperatura
a lo largo de la barra es constante. En ese caso el gradiente de temperatura es
el mismo en cualquier lugar a lo largo de la barra, y la ley de conducción de
calor de Fourier se puede escribir en la forma:



2. CONVECCION.La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de
masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por
las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es
obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o
el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos
ymoléculas son libres de moverse en el medio.

En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción
y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles
de la atmósfera por convección.
Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de enfriamiento
de Newton, es el siguiente:



donde h se llama coeficiente de convección, enW/(m2K), A es la superficie
que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra
a una temperatura T, como se muestra en el esquema de la figura 14.6. La tabla
14.2 lista algunos valores aproximados de coeficiente de convección h.



El flujo de calor por convección es positivo (H > 0) si el calor se transfiere
desde la superficie de área A al fluido (TA > T) y...