Transferencia de calor

FUNDAMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

POR: ING. ANTONIO ESPINOSA BERNABE
TRANSFERENCIA DE CALOR

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INTRODUCCIÓN

La transferencia de calor se puede definir como la propagación de energía de una región a otra (de un medio sólido o fluido) bajo la influencia de una diferencia de temperatura. La literatura especializada en el tema de transferencia de calor reconoce generalmente tresmodos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. En realidad, sólo la conducción y la radiación deberían estar clasificadas como modos de transferencia de calor, puesto que los procesos de estos dos mecanismos están relacionados directamente con la existencia de una diferencia de temperatura. La convección no ésta estrictamente de acuerdo con ésta definición, ya que éstadepende básicamente del mecanismo de transferencia de masa. No obstante, como la convección obedece igualmente una transferencia de energía de regiones de alta temperatura hacia regiones de baja temperatura, el término de transferencia de calor por convección se ha vuelto clásico. En la transferencia de calor por conducción, la energía se propaga en el interior de un medio (sólido, líquido o gaseoso)por contacto directo de las moléculas sin desplazamiento apreciable de materia. La transferencia de energía puede efectuarse por contacto elástico de las partículas (caso de los fluidos) o por difusión de electrones (caso de los metales). La conducción es el único modo de transferencia de calor en los cuerpos sólidos. Esta conducción es también importante en los fluidos pero en este caso ésta esacompañada de una transferencia por convección o a veces por radiación. El proceso de convección asociado al movimiento de los fluidos se estudia en general para tres casos: Cuando el movimiento del fluido es “impuesto”, es decir cuando existe una causa de movimiento diferente a la acción de la gravedad ( o de fuerzas centrifugas), se le conoce como convección forzada. Cuando el movimiento es debidoúnicamente a la acción de la gravedad o a fuerzas centrifugas sobre un fluido cuya temperatura y densidad varían de un punto a otro, se le conoce como convección natural. Cuando las dos causas existen simultáneamente, sin que una sea despreciable con respecto a la otra, se le conoce como convección mixta La propagación de energía por radiación es independiente de los dos modos anteriores ya queno existe relación directa con la mecánica de los medios contínuos. El proceso de radiación puede resumirse de la manera siguiente; cuando un sólido es calentado, su superficie emite una radiación en una gama de longitudes de onda del orden de 0.1 a 100 micrones rango conocido como “radiación térmica”. Algunas moléculas o átomos que se encuentran en “estado excitado” (desplazamiento de electrones,excitación de los modos de rotación y vibración) provocan la emisión de una radiación durante el regreso de estas moléculas o átomos a un estado de energía menor; es el “fenómeno de emisión”. El proceso invertido es conocido como “fenómeno de absorción”. Una descripción cuantitativa de estos fenómenos es proporcionada por la mecánica cuántica. Se observa así que la mayoría de los casos detransferencia de calor se realizan por más de uno de los modos anteriormente expuestos. Será por tanto necesario, establecer las leyes que describen cada uno de los tres modos, así como desarrollar métodos confiables para calcular el flujo de calor.

1.1 Conducción
La teoría elemental de conducción se basa en la Ley de Fourier. En un medio contínuo, donde existe una distribución de temperatura, la tasade transferencia de calor por unidad de área es un vector conocido como flujo de calor q el cual, según la Ley de Fourier, es directamente proporcional a la magnitud de la componente del gradiente de temperatura en dirección de flujo. La expresión matemática para un sistema tridimensional de coordenadas cartesianas se escribe como: q = i qx + j qy + kqz donde ∂T qx α ∂X , qy α ∂T ∂y qz α ∂T...