Mecanismos en la transferencia de calor


4.1. Introducción
4.1.1. Mecanismos en la transferencia del calor
La Transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos diferentes.
Siempre que exista una diferencia de temperatura, la energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura
De acuerdo con los conceptos de la Termodinámica, laenergía que se transfiere como resultado de una diferencia de temperatura es el calor.
- Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, pero sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio (pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para modificar un sistema de un estado de equilibrio a otro), pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) con quepueden producirse estos cambios.
- La transferencia de calor, complementa los principios termodinámicos, proporcionando métodos de análisis que permitan predecir esta velocidad de transferencia térmica.
Para proceder a realizar un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar tres mecanismos diferentes: conducción, convección y radiación.
Transmisión de calor porconducción
La conducción, es el único mecanismo de transmisión de calor posible en los medios sólidos opacos, cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura. El calor se trasmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura, debido al movimiento cinético o el impacto directo de las moléculas como en el caso de los fluidos en reposo o por el arrastre de los electrones comosucede en los metales.
La ley básica de la conducción del calor (Joseph Fourier), establece: “La tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección”.


Donde: Qx = Tasa de flujo de calor a través del área A en la dirección positiva.

A = área de sección transversal dela transferencia de calor
= gradiente de temperatura
El flujo real de calor depende de la conductividad térmica (k), que es una propiedad física del cuerpo
El signo (-) es consecuencia del segundo principio de la termodinámica, según el cual el calor debe fluir hacia la zona de temperatura mas baja. El gradiente de temperatura es negativo si la temperatura disminuye para valores crecientes dex, por lo que el calor transferido de la dirección positiva debe ser una magnitud positiva, por lo tanto, al segundo miembro de la ecuación anterior hay que introducir un signo negativa, esto se puede ver en la figura Nº 1)


Transmisión de calor por convección
Cuando un fluido a TF se pone en contacto con un sólido cuya superficie de contacto está a una temperatura distinta TS, al proceso deintercambio de energía térmica se denomina convección.
Existen dos tipos de convección:
a) Convección libre o natural, ocurre cuando la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascensionales, el fluido próximo a la superficie adquiere una velocidad debida únicamente a estadiferencia de densidades, sin ninguna fuerza motriz exterior.
b) Convección forzada, tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido con una velocidad (v), sobre una superficie que se encuentra a una temperatura Ts mayor o menor que la del fluido Tf, como la velocidad del fluido en la convección forzada es mayor que en la convección natural, se transfiere por lo tanto, una mayorcantidad de calor para una determinada temperatura.
Independiente de que la convección sea natural o forzada, la cantidad de calor transmitido Qc, se puede escribir (Ley de enfriamiento de Newton)

Donde: h = Coeficiente de transmisión del calor por convección en la
interface líquido – sólido (w/m2.k)
A = Área superficial en contacto con el fluido (m2)
La ecuación anterior sirve como definición...